仅剩1位73岁开发者苦撑!能求解超复杂物理方程式的计算程序,要没人维护了

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自2000年以来,平均每隔几天就有一篇基于FORM的粒子物理学论文被发表。

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高能物理先进计算必备程序之一,快要没人维护了。

随着唯一的长期维护者达到73岁高龄,计算系统FORM的命运开始变得扑朔迷离起来。

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过去30多年,这个程序被视为粒子物理学研究的基础工具之一,可计算伽马矩阵、并行计算、模式匹配等。

计算费曼图的软件包FormCalc也是在它的基础上实现。

要知道,费曼图能够用图像描述大型粒子对撞机中粒子碰撞的可能结果,号称“有助于帮助改变物理学家看世界的方式”。

除此之外,高阶QCD(量子色动力学) β函数、多重Zeta数值(MZV)的数学结构研究等也都用到了FORM。

甚至在它诞生十数年后,仍旧有大量前沿研究依赖于它。

自2000年以来,平均每隔几天就有一篇基于FORM的粒子物理学论文被发表。

但这样重要的计算程序,现在却只靠一位73岁的退休人员维护——其开发者荷兰粒子物理学家乔斯·维马塞伦(Jos Vermaseren)

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如今,随着老爷子年事已高,其后继维护者还没找到。

而完全能顶替它的程序似乎还没有出现,尽管Mathematica也能计算,但是速度上完全无法与之相比。

靠硬盘空间求解超长公式

简单理解,FORM是一个可以进行符号运算的程序。

相较于更通用的Mathematica,它更专注于大规模处理符号表达式。

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但本质上FORM还是数学代数系统,具体的操作过程大概是酱婶的:

设定函数 f 中,在 x 之前如果出现任何参数,都将它们进行调换。

Symbol x;
Local E = f(1,2,x,3,4);

id f(?a,x,?b) = f(?b,?a);

Print;
.end

那么FORM输出的结果将会是:F=f(3,4,1,2)。

它主要有两方面特点:

第一、计算快。

FORM建立了一些专业算法,比如能将费曼图中的某些部分快速相乘;通过重新排列方程减少相乘、相加步骤。

第二、能处理超级大的方程式。

只要硬盘空间够大,多长都能算。

这正是FORM最特别的地方。

计算机的存储模式可分为两种。其一是主存,这里常说的是RAM(随机存储器)。它是电脑系统中最重要的存储器,能和CPU直接交换数据,随时读写、速度很快,但存储空间非常有限。另一种是外存,也就是硬盘、固态硬盘、磁盘等。它们的优点是容量大,但计算速度慢。

比如一台笔记本的内存只有16GB,但是存储空间可以到2TB。

如果想要求解超复杂的物理方程式,那必须要依靠主存。

但问题是,这么小的容量空间,根本无法处理超长公式。更何况FORM生于80年代,那个时候的主存容量就更小了。

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FORM选择了一个巧妙的方法——把硬盘当成主存来用

通过将主存和硬盘空间“分页”处理,然后将方程式放入到不同的“页”上,并且为每一个项都固定一个存储位置,程序运行时就能快速找到各个项的位置将其带回真正的主存,而不必访问其他的项。

这样做的好处是在扩大主存的同时,还绕开了低效的内存交换操作,可以快速计算复杂庞大的方程式。

凭借着这一特点,FORM自诞生后便成为了粒子物理学中的关键工具之一。

即便放到现在FORM也依旧至关重要——毕竟计算存储发展的速度,怎么也追不上物理学方程式加长的速度……

在FORM的GitHub主页上也写着:

FORM是高能物理领域中许多最先进计算的必备工具。

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值得一提的是,FORM并不能被视为CAS的加强版,它们的编程逻辑并不相同。

上手FORM可能需要一点门槛,但只要跨过去,就是打开一番新天地了。FORM和CAS配合使用可以解决数学、物理中诸多难以计算的复杂问题。

苏黎世大学教授托马斯•格尔曼(thames Gehrmann)表示,自己的课题组在过去20年中取得的大多数高精度结果,很大程度上都依赖于FORM。

高能物理学助理教授马特·冯·希佩尔(Matt von Hippel)在Quantamagazine的文章中也提到,自己的一位同事前不久才使用FORM将一项计算的精度推到新高度。

被重视程度却远远不够

但和想象中不同,这样一个为高能物理领域带来巨大进步的工具,一路发展过来,背后的运维却“冷冷清清”,以至于现在整个软件都岌岌可危。

FORM的起点在1984年。当时计算机的角色正在迅速变化,PC机在这个时期开始普及。

其前身是一个名为Schoonschip的程序,由荷兰物理学家马蒂努斯·维尔特曼(Martinus Veltman)创建。

和我们今天许多常用的计算机程序不同,当时的程序大都是搭载于外部的ROM芯片中,得把芯片插到电脑上才能运行(试想一下光盘)——Schoonschip也不例外。

而乔斯则希望做出一个更易于访问的程序,可被世界各地高校下载的那种。

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开发FORM之初,乔斯使用的是FORTRAN语言(也是FORM名字的重要来源),这种语言很擅长“搞数学”。

FORTRAN是由IBM为科学和工程应用开发的,是第一代计算机高级语言。

从上世纪50年代起,FORTRAN一度成了科学和工程计算的首选语言;从60年代末到70年代初,大多数高性能计算机都支持FORTRAN,许多专门的编译器和工具可以用其编写算法。

而随着计算机技术发展、其它编程语言一个个出现,FORTRAN慢慢被C、C++、Python、Matlab等取代,因为它没有对象导向编程的支持,且语法比较笨重。

在1989年,FORM1.0正式发布前,乔斯改用C语言把FORM重写了一遍。

但FORM其实从诞生起就在被逐渐推广试用了:1984至1986年间, FORM最早支持的是Apollo工作站,这是上世纪80年代的第一批图形处理工作站。

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到上世纪90年代初,全球已有超过200家机构下载了FORM,后面这个数字还在不断攀升。

与此同时,FORM还发展出了3个不同的版本:

  • FORM:顺序版,旨在在单个处理器上运行;
  • ParFORM:多处理器版,处理器有自己的内存,可以使用集群和系统,同时为两个及以上的处理器;
  • TFORM:处理器共享内存系统的多线程版,主要用于处理器数量有限的系统。
  • FORM和FormCalc是相互补充的,FORM作为一种通用符号计算和公式管理软件,而FormCalc作为一种特定于高能物理研究的工具。

这么看来,FORM貌似一直在“茁壮成长”。但其实从开发至今,维护FORM的人数总共也就十余人。

到现在,只剩下73岁的乔斯孤零零一人还在苦苦支撑。

为什么会这样?

一个重要的原因是:在物理学界,开发程序的努力往往被低估了。

乔斯老爷子无奈地表示:

多年来,我一直看到物理学领域中在计算工具开发上花大把时间的人,得不到一个终身职位。
而且相比之下,乔斯及FORM还算是挺幸运的,因为他本身有终身职位——荷兰国家亚原子物理研究所(Nikhef)长期担任理论组研究员。

而且FORM也受到了欧洲研究理事会(ERC)的关注。

光是在2012年,ERC就给FORM的相关项目资助了170万欧(约合人民币1235万元)。当时乔斯提出把游戏领域的蒙特卡洛方法,用来求解高能物理方程(这种方程往往要求高精度、计算量巨大)

并且这是ERC给乔斯等Nikhef研究人员的第三笔大额拨款。

但同样是在粒子物理学领域,意大利物理学家Stefano Laporta就没这么走运了。他也开发了一种很有用的简化算法,可是整个职业生涯中都没收到什么资助……

如今,即便是曾经发展还不错的FORM,想要找到后续维护者都有些难了。

因为这不光会耗费精力、往往得不到高收益,还要求开发人员有过硬的跨学科能力。(其中一科还是粒子物理...)

有网友指出:

其实最难的不是写代码,而是确保它能正确处理数据。

比如,要对国际粒子物理学委员会编写的参考书PDG Review of Particle Physics行之有效。

如果后续维护不跟进,FORM很快就会跟不上计算机更新迭代的脚步,变得越来越不可用。

学者Ben Ruijl最近在尝试用Rust开发一个新版本的FORM——DreFORM,来尝试减少FORM中的bug。

但是到现在为止新版本还没有完成,因为Ben Ruijl不得不因为自己主要的研究课题而搁置它。

对此,哥本哈根大学(尼尔斯·玻尔的母校)的粒子物理学助理教授Matt von Hippel表示担忧:

(假如FORM真不行了,)物理学者可能不得不只能选择Mathematica,其速度比FORM慢了好几个数量级。

粒子物理学可能还会因此停滞不前,只有少数人能够胜任最难的计算工作。

眼下,乔斯老爷子已在积极思考解决办法。据说在今年4月份,他会召开一个FORM用户峰会,号召大家一起讨论后续维护问题。

GitHub上,也有不少用户在一直在为这个程序找Bug、提意见。

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我们发现最近也有人在更新项目,但似乎代码出现了一些问题。

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FORM主页:https://www.nikhef.nl/~form/
GitHub主页:
https://github.com/vermaseren/form

责任编辑:张燕妮 来源: 量子位
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