CIENCIA

Un programa informático crucial para la física de partículas corre el riesgo de quedar obsoleto

recientemente vi un compañero físico de partículas habla sobre un cálculo que ha llevado a un nuevo nivel de precisión. ¿Su herramienta? Un programa de computadora de la era de 1980 llamado FORM.

Los físicos de partículas utilizan algunas de las ecuaciones más largas de toda la ciencia. Para buscar signos de nuevas partículas elementales en colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones, por ejemplo, dibujan miles de imágenes llamadas diagramas de Feynman que representan los posibles resultados de una colisión, cada una de las cuales es una fórmula compleja que puede contener millones de términos. Resumir fórmulas como esas con lápiz y papel es imposible; incluso agregarlos con computadoras es un desafío. Las reglas de álgebra que aprendemos en la escuela son lo suficientemente rápidas para la tarea, pero para la física de partículas son lamentablemente ineficientes.

Los programas llamados sistemas de álgebra computacional buscan manejar estas tareas. Y si quieres resolver las ecuaciones más grandes del mundo, durante 33 años se ha destacado un programa: FORM.

Desarrollado por el físico de partículas holandés José VermaserenFORM es una parte clave de la infraestructura de física de partículas requerida para los cálculos más difíciles. Sin embargo, como ocurre con muchas piezas importantes de la infraestructura digital, el mantenimiento de FORM depende en gran medida de un solo hombre: el propio Vermaseren. Y a la edad de 73 años, se retiró del desarrollo de FORM. Debido a la estructura de incentivos de la academia, que recompensa los artículos publicados en lugar de las herramientas de software, no surgió ningún sucesor. Si la situación no cambia, la física de partículas puede verse obligada a reducir drásticamente su velocidad.

FORM comenzó a mediados de la década de 1980, cuando el papel de las computadoras estaba cambiando rápidamente. Su predecesor, un programa llamado Schoonschip creado por Martinus Veltman, fue lanzado como un chip especializado que se conectaba al costado de una computadora Atari. Vermaseren quería hacer un programa más accesible que pudiera ser descargado por universidades de todo el mundo. Comenzó a programarlo en el lenguaje informático FORTRAN, que significa traducción de fórmulas. El nombre FORM fue un riff en eso. (Más tarde cambió a un lenguaje de programación llamado C). Vermaseren lanzó su software en 1989. A principios de la década de 1990, más de 200 instituciones en todo el mundo lo habían descargado y el número siguió creciendo.

Desde el año 2000, en promedio, se ha publicado un artículo de física de partículas que cita a FORM cada pocos días. [high-precision] Los resultados que obtuvo nuestro grupo en los últimos 20 años se basaron en gran medida en el código FORM”, dijo Tomás alemánprofesor de la Universidad de Zúrich.

Parte de la popularidad de FORM proviene de algoritmos especializados creados a lo largo de los años, como un truco para multiplicar rápidamente ciertas partes de un diagrama de Feynman y un procedimiento para reorganizar ecuaciones para tener la menor cantidad posible de multiplicaciones y sumas. Pero la ventaja más poderosa de EST FORM es cómo maneja la memoria.

Así como los humanos tenemos dos tipos de memoria, a corto y largo plazo, las computadoras tienen dos tipos: principal y externa. La memoria principal, la RAM de su computadora, es de fácil acceso sobre la marcha, pero tiene un tamaño limitado. Los dispositivos de almacenamiento externo, como discos duros y SSD, contienen mucha más información, pero son más lentos. Para resolver una ecuación larga, debe almacenarla en la memoria principal para poder trabajar con ella fácilmente.

En la década de 1980, ambos tipos de memoria estaban limitados. «FORM se creó en un momento en que casi no había memoria y tampoco espacio en disco, básicamente nada», dijo ben ruilun ex alumno de Vermaseren y desarrollador de FORM que ahora es investigador postdoctoral en el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich. Esto presentó un desafío: las ecuaciones eran demasiado largas para que la memoria principal las manejara. Para calcular uno, su sistema operativo tuvo que tratar su disco duro como si también fuera memoria principal. El sistema operativo, sin saber qué tan grande espera que sea su ecuación, almacenará los datos en una colección de «páginas» en el disco duro. unidad, tan a menudo cambia entre ellos como se necesitan diferentes partes, un proceso ineficiente llamado intercambio.

Este cómic de xkcd ilustra bien la situación.

Ilustración: xkcd.com

FORM pasa por alto el intercambio y utiliza su propia técnica. Cuando trabaja con una ecuación en FORMATO, el programa asigna a cada término una cantidad fija de espacio en el disco duro. Esta técnica permite que el software realice un seguimiento más fácil de dónde están las partes de la ecuación y también hace que sea más fácil devolver esas partes a la memoria principal cuando se necesitan, sin acceder al resto.

La memoria ha crecido desde los primeros días de FORM, de 128 kilobytes de RAM en el Atari 130XE en 1985 a 128 gigabytes de RAM en mi escritorio mejorado: una mejora de un millón de dólares. Pero los trucos desarrollados por Vermaseren siguen siendo decisivos. datos del Gran Colisionador de Hadrones a la búsqueda de evidencia de nuevas partículas, su necesidad de precisión y, por lo tanto, la longitud de sus ecuaciones se alarga.

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