01高能物理大科学工程与计算
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• 宇宙前沿
• 宇宙线测量，宇宙起源和演化、暗物质 暗能量等
4
CERN的大型强子对撞机LHC
Higgs, SUSY, Strings, Dark Matter, …..
5
LHC数据与存储
2016: 49.4 PB LHC raw data/
58 PB all experiments/ 73 PB total
例如格点量子色动力学（格点QCD)和计算宇宙学
8
美国高能物理HPC计算现状和未来需求
计算任务 当前计算量
2025年需求 当前存储 2025年存储 2025年网络
（核小时/年） （核小时/年） （磁盘） （磁盘）
加速器建模 ~10M-100M ~10G-100G
计算宇宙学 格点QCD 理论物理
百度文库
~100M-1G ~1G ~1M-10M
2
高能物理科学研究
物质结构组成（理论）
• 夸克、轻子、玻色子 • 强力、弱力、电磁力、万有引力
粒子加速器（装置） • 粒子物理研究的重要手段之一 • BEPCII，LHC，CEPC等等
探测器 （实验）
• 探测各类粒子，用于科学研究 • BESIII, JUNO, LHAASO,
ATLAS, CMS …
~100G-1000G ~100G-1000G ~100M-1G
~10PB ~1PB
>100PB >10PB
300Gb/s
宇宙前沿 ~10M-100M ~1G-10G
~1PB
10-100PB
能量前沿 ~100M
~10G-100G
~1PB
>100PB
300Gb/s
强度前沿 ~10M
~100M-1G
~1PB
数据分析（科学发现）
• 暗物质/暗能量 • 宇宙起源 •…
3
高能物理研究三大前沿
• 能量前沿
• 大型强子对撞机（LHC）及其探测器 （ATLAS, Alice、CMS, LHCb）的物理 实验为代表
• 精度前沿
• 中微子实验（美国DUNE, 中国大亚湾、 江门中微子实验等），muon反常磁矩测 量等
• 高能物理科学研究能否成功依赖于计算技术的发展 • 实验采集到的数据需要强大的计算系统对其进行分析处理 • 物理模拟及理论计算需要强大的高性能计算支撑 • 不同的数据处理任务采用不同的计算模式
• 粒子加速器和探测器的计算机模拟设计：计算密集型 • 粒子探测器观测到的海量科学数据的分析处理：数据密集型 • 高能物理理论研究中的高强度的科学计算：计算密集型
• 地下500米实验大厅 • 2020年运行，每年将产生2PB数据
• 高海拔宇宙线实验LHAASO
• 位于四川稻城海子山，海拔4400米 • 2018年开始部分运行，建成后每年将产生6PB数据
• HXMT（“慧眼”卫星）、CSNS（中国散裂中子源）、
HEPS（高能同步辐射光源）等等
7
高性能计算和大数据处理
~300 PB on tape totally
~200 PB on Disk ~3.3 Bil files ~400GB/s disk IO
6
中国高能物理实验
• 北京正负电子对撞机BECPII
• 已经积累近10PB
• 大亚湾中微子实验
• 200TB/年 • 已经积累1PB以上数据
• 江门中微子实验JUNO
• 每年与欧洲及北美之间的数据交换超
过3PB
高能所站点
• 为Higgs粒子的发现做出了贡献
12
计算资源全面整合
ATLAS PanDA/BESGrid系 统
…
ARC CE Condor Dirac Boinc 资源调度
ScGrid ERA@CNIC
超算
Condor Cluster@IHEP
集群
Openstack Cloud@CERN
• 格点QCD 数值模拟是耗费计算资源最多的科研领域之一
• 利用蒙特卡罗数值方法求解近邻相互作用的多自由度体系的统计问题 • 需要超级计算机（HPC）的支持；高并行度；高可扩展性
云计算
Desktop Grid CAS@HOME
志愿计算
高能物理应用系统
分布式资源调度
分布式IT资源
13
理论物理与格点计算
• 描述强相互作用的正确理论是量子色动力学(QCD) • 格点QCD：从第一原理出发研究QCD非微扰性质的方法
• 对标准模型精确检验和新物理寻找等有十分重要的理论意义 • 中国的BEPCII/BESIII实验也急需格点QCD解释物理实验的最新发现
• 20年前: 本地集群
• Beowulf cluster、存储区域网络、局域网
• 15年前, 广域网上的分布式计算
• 网格计算、 分布式存储系统、广域网数据传输
• 10年前，云计算与大数据技术
• 虚拟化、云计算、Map-Reduce，NoSQL、BigTable、…
• 现阶段，新技术融合发展
• 高性能计算、网格计算、云计算、志愿计算、大数据、人工智能、 …
高能物理大科学工程与计算
高能物理的目标
• 探索物质微观结构、宇宙起源等自然规律、新物理寻找
• 为什么物质有质量？标准模型不能 解释W,Z玻色子为什么有质量
• 为什么宇宙中观测到的物质只有理 论预言的4%？
– 反物质在哪里？为什么自然 界的正反物质是不对称的？
– 宇宙大爆炸刚发生时的物质 形态是什么样的？
10
国际高能物理网格WLCG
April 2017: - 63 MoU’s - 167 sites; 42 countries
CPU：5.2 M HepSpec06
➢ 今天最快CPU: ~ 50万核 ➢ 实际上超过70万核（有些CPU使用超过5年）
存储：985PB
➢ Disk： 395 PB ➢ Tape： 590 PB Ian Bird WLCG2017
10-100PB
300Gb/s
Source: https://arxiv.org/abs/1603.09303
到2025年，高能物理前沿研究所需的计算量将比目前提高2个数量级
需要数千万甚至上亿个CPU核
9
高能物理计算的技术演变
• 为应对大数据，计算技术一直在不断的演化发展
• 可扩展性，高可靠性，大规模，高性能，易用性，…
11
国内（高能所）WLCG站点
• 1,600 CPU核，640TB磁盘存储空间
（另有~15000CPU核, 16PB存储用 于本地使用）
• 到欧洲和北美10Gb/s网络带宽
• 被评为国际‘Leadership’网格站点
• 站点运行水平名列前茅
• 每年提供超过1000万CPU小时的计 算服务
• 每年完成超过550万个计算作业
• 宇宙线测量，宇宙起源和演化、暗物质 暗能量等
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CERN的大型强子对撞机LHC
Higgs, SUSY, Strings, Dark Matter, …..
5
LHC数据与存储
2016: 49.4 PB LHC raw data/
58 PB all experiments/ 73 PB total
例如格点量子色动力学（格点QCD)和计算宇宙学
8
美国高能物理HPC计算现状和未来需求
计算任务 当前计算量
2025年需求 当前存储 2025年存储 2025年网络
（核小时/年） （核小时/年） （磁盘） （磁盘）
加速器建模 ~10M-100M ~10G-100G
计算宇宙学 格点QCD 理论物理
百度文库
~100M-1G ~1G ~1M-10M
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高能物理科学研究
物质结构组成（理论）
• 夸克、轻子、玻色子 • 强力、弱力、电磁力、万有引力
粒子加速器（装置） • 粒子物理研究的重要手段之一 • BEPCII，LHC，CEPC等等
探测器 （实验）
• 探测各类粒子，用于科学研究 • BESIII, JUNO, LHAASO,
ATLAS, CMS …
~100G-1000G ~100G-1000G ~100M-1G
~10PB ~1PB
>100PB >10PB
300Gb/s
宇宙前沿 ~10M-100M ~1G-10G
~1PB
10-100PB
能量前沿 ~100M
~10G-100G
~1PB
>100PB
300Gb/s
强度前沿 ~10M
~100M-1G
~1PB
数据分析（科学发现）
• 暗物质/暗能量 • 宇宙起源 •…
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高能物理研究三大前沿
• 能量前沿
• 大型强子对撞机（LHC）及其探测器 （ATLAS, Alice、CMS, LHCb）的物理 实验为代表
• 精度前沿
• 中微子实验（美国DUNE, 中国大亚湾、 江门中微子实验等），muon反常磁矩测 量等
• 高能物理科学研究能否成功依赖于计算技术的发展 • 实验采集到的数据需要强大的计算系统对其进行分析处理 • 物理模拟及理论计算需要强大的高性能计算支撑 • 不同的数据处理任务采用不同的计算模式
• 粒子加速器和探测器的计算机模拟设计：计算密集型 • 粒子探测器观测到的海量科学数据的分析处理：数据密集型 • 高能物理理论研究中的高强度的科学计算：计算密集型
• 地下500米实验大厅 • 2020年运行，每年将产生2PB数据
• 高海拔宇宙线实验LHAASO
• 位于四川稻城海子山，海拔4400米 • 2018年开始部分运行，建成后每年将产生6PB数据
• HXMT（“慧眼”卫星）、CSNS（中国散裂中子源）、
HEPS（高能同步辐射光源）等等
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高性能计算和大数据处理
~300 PB on tape totally
~200 PB on Disk ~3.3 Bil files ~400GB/s disk IO
6
中国高能物理实验
• 北京正负电子对撞机BECPII
• 已经积累近10PB
• 大亚湾中微子实验
• 200TB/年 • 已经积累1PB以上数据
• 江门中微子实验JUNO
• 每年与欧洲及北美之间的数据交换超
过3PB
高能所站点
• 为Higgs粒子的发现做出了贡献
12
计算资源全面整合
ATLAS PanDA/BESGrid系 统
…
ARC CE Condor Dirac Boinc 资源调度
ScGrid ERA@CNIC
超算
Condor Cluster@IHEP
集群
Openstack Cloud@CERN
• 格点QCD 数值模拟是耗费计算资源最多的科研领域之一
• 利用蒙特卡罗数值方法求解近邻相互作用的多自由度体系的统计问题 • 需要超级计算机（HPC）的支持；高并行度；高可扩展性
云计算
Desktop Grid CAS@HOME
志愿计算
高能物理应用系统
分布式资源调度
分布式IT资源
13
理论物理与格点计算
• 描述强相互作用的正确理论是量子色动力学(QCD) • 格点QCD：从第一原理出发研究QCD非微扰性质的方法
• 对标准模型精确检验和新物理寻找等有十分重要的理论意义 • 中国的BEPCII/BESIII实验也急需格点QCD解释物理实验的最新发现
• 20年前: 本地集群
• Beowulf cluster、存储区域网络、局域网
• 15年前, 广域网上的分布式计算
• 网格计算、 分布式存储系统、广域网数据传输
• 10年前，云计算与大数据技术
• 虚拟化、云计算、Map-Reduce，NoSQL、BigTable、…
• 现阶段，新技术融合发展
• 高性能计算、网格计算、云计算、志愿计算、大数据、人工智能、 …
高能物理大科学工程与计算
高能物理的目标
• 探索物质微观结构、宇宙起源等自然规律、新物理寻找
• 为什么物质有质量？标准模型不能 解释W,Z玻色子为什么有质量
• 为什么宇宙中观测到的物质只有理 论预言的4%？
– 反物质在哪里？为什么自然 界的正反物质是不对称的？
– 宇宙大爆炸刚发生时的物质 形态是什么样的？
10
国际高能物理网格WLCG
April 2017: - 63 MoU’s - 167 sites; 42 countries
CPU：5.2 M HepSpec06
➢ 今天最快CPU: ~ 50万核 ➢ 实际上超过70万核（有些CPU使用超过5年）
存储：985PB
➢ Disk： 395 PB ➢ Tape： 590 PB Ian Bird WLCG2017
10-100PB
300Gb/s
Source: https://arxiv.org/abs/1603.09303
到2025年，高能物理前沿研究所需的计算量将比目前提高2个数量级
需要数千万甚至上亿个CPU核
9
高能物理计算的技术演变
• 为应对大数据，计算技术一直在不断的演化发展
• 可扩展性，高可靠性，大规模，高性能，易用性，…
11
国内（高能所）WLCG站点
• 1,600 CPU核，640TB磁盘存储空间
（另有~15000CPU核, 16PB存储用 于本地使用）
• 到欧洲和北美10Gb/s网络带宽
• 被评为国际‘Leadership’网格站点
• 站点运行水平名列前茅
• 每年提供超过1000万CPU小时的计 算服务
• 每年完成超过550万个计算作业