Lafex/CBPF 2000 LNCC - 13 de Setembro de 2000 1
Ciência & Tecnologia Roteiro: I II - INTRODUÇÃO Modelos - Visão Global - CIÊNCIA E TECNOLOGIA Um Casamento Estratégico III - EXEMPLOS DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE FRONTEIRA IV V -UM PROJETO DE DESENVOLVIMENTO Para o início do Próximo Milênio - CONCLUSÃO 2
I - INTRODUÇÃO Modelos - Visão Global Vários Enfoques sobre a questão da Relação Ciência & Tecnologia são expostos pela Literatura em Geral. (Quem vem primeiro?) " "Le Livre des Objects Introuvables" Toda Tecnologia produzida para ela mesma termina freqüentemente neste livro. " A Ciência exercida para si própria tem produzido resultados excelentes. Eles Podem beneficiar a humanidade. " De uma certa forma esta questão facilita entender o conceito de Ciência Pura e Aplicada. 3
A Ciência PURA basta a si própria. Exemplo: A Demonstração formal da existência ou não do confinamento dos Quarks CIÊNCIA e Gluons. A demonstração de um teorema. As Leis de Simetrias e suas Correspondentes Leis de Conservação; A Dinâmica das Interações Fundamentais. A Ciência Aplicada usa igualmente o Método Científico para resolver, propor, projetar um objeto bem definido, que pode ter uma ligação com a realidade no sentido do desejo de consumo. A Tecnologia pode ser nacional ou até regional mas a Ciência não. Alcool, Prospecção de Petroleo,... É então uma necessidade a relação Ciência e Tecnologia? " Para a Epistemologia: SIM " Para Comprendermos o mundo: SIM " Para não contribuirmos com a lista dos Objetos Inúteis: SIM 4
No decorrer de nossa Exposição vamos nos valer de exemplos que são próprios da Física Experimental de Altas Energias onde o Casamento estratético de Ciência & Tecnologia acontece em cada momento. Vamos antes tecer alguns comentários sobre um relatório que consideramos da maior importância.. É um relatório elaborado por Empresários e Pessoal Acadêmico, Comitê para o Desenvolvimento Ecômico dos Estados Unidos 5
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Quem é o CED? 250 Empresários e Acadêmicos Objetivo: Entender o Mundo Novo, Emitir opinião sobre o desenvolvimento da Ciência Básica, para melhor gerir "la nouvelle Economie" 7
Comentários e Conclusões: A Pesquisa Básica e o investimento realizado nela são um dos principais fatores do crescimento e da prosperidade americana. Perguntada porque tantos cientistas americanos ganham o Prêmio Nobel, a Academia Real de Ciências da Suécia respondeu: Nenhum País investe tanto em Ciências. Tão simples quanto isto. O retorno dos investimentos no setor de Pesquisa é tão importante que torna-se fácil explicar ao contribuinte. A Ciência Americana não se desenvolve em uma "Torre de Marfim". Contribuições de Físicos os mais teóricos, ao desenvolvimento científico e Tecnológico, são freqüentes. 8
Há um concenso de que os investimentos no setor têm um retorno de 20-30% Algumas Recomendações (Possivelmente as mais importantes) *** O financiamento às pesquisas básicas devem continuar e de forma cada vez mais flexível. *** A Pesquisa Básica deve ter ALTA prioridade no orçamento Federal nas próximas décadas. *** Deve-se melhorar o ensino de Matemática e Ciências. 9
II - CIÊNCIA & TECNOLOGIA Um Casamento Estratégico Como dissemos anteriormente, vamos nos valer da Física Experimental de Altas Energias para mostrar que o Casamento Estratétigo é uma necessidade. A Física de Altas Energias traz consigo a permanente necessidade de desenvolver novas tecnologias, modificando o "estabelecido" e criando um importante quadro de parâmetros. A Física de Altas Energias procura entender as Interações Fundamentais da Natureza e seus Tijolos elementares. Para realizar esta tarefa define-se um quadro de parâmetros fundamentais. 10
ESPAÇOS 10-13 cm - 10-18 cm Física do Atômetro Da ordem do Picosegundo 10-12 seg. TEMPOS Nos permitem medidas de fenômenos que se passam na faixa de 10-23 seg. VELOCIDADES C = 300.000 km/seg Estocagem de Dados Petabytes = 103 Terabytes = 106 Gigabytes Conexões 600 Megabites/s - 2 Gigabites/s Organização Científica Década de 60 20-40 Físicos/Eng. 80 400-600 00 1500 -? Estes números exigem uma Organização e uma comunicação Especial ( WWW ). 11
A partir destes dados, vamos olhar algumas estruturas elementares que se situam dentro desses parâmetros. A medida desses parâmetros exige a criação de novas tecnologias para o estudo dessas estruturas. 10-7 m Virus 10-8 m Molécula 10-10 m Atômo 10-14 m Nucleus 10-15 m Próton 10-18 m Quarks 12
Unificação das Forças 13
Para estudar objetos microscópicos ou macroscópicos, fomos levados a inventar: - Os Aceleradores de Partículas Enviam sondas ao interior da Matéria - Os Detectores Os olhos que gostaríamos de possuir - Os Computadores A velocidade e a memória que gostaríamos de ter. - Os Telescópios Com estas ferramentas estamos tentando escrever a história do Universo. 14
Aceleradores Os Principais aceleradores em Funcionamento DE energias - As mais Altas - são: Acelerador - Energia - Circunferência LEP/CERN(e+ e-) 200(GeV) 25. km TEVATRON( p p ) 2. (TeV) 6. km (Fermilab) HERA(Desy) (e-p) 820(GeV) 6. km A titulo de curiosidade : O primeiro cyclotron foi inventado por E.O.Lawrence em 1930. Com este instrumento foram acelerados prótons até 80 kev. 15
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A elementaridade preocupa os homens há milênios. Hoje temos o quadro estabelecido pelo modelo padrão. O Modelo Padrão 17
Collider Facility Detector CDF 18
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III - EXEMPLOS DE CIÊNCIA & TECNOLOGIA DE FRONTEIRA Da grande lista de exemplos vamos nos deter naquele tópico que no momento constitue-se em nosso projeto. Tópicos que poderíamos chamar de Tecnologias Associadas à Física de Altas Energias. Supercondutores (Ímãs, Trens a Grande Veloc) Eletrônica Rápida e Modular Mecânica Fina Novos Materiais Transmissão de Energia Métodos Matemáticos Detectores Aceleradores de Partículas Computação Qualquer que seja o projeto nesta área ele deve sempre integrar em seu planejamento PESQUISA - ENSINO - INDÚSTRIA 22
Além da sua aplicação "fim" os Aceleradores de Partículas têm sido empregados em diversas situações, resumidas no quadro abaixo. Pesquisa Indústria Aceleradores Dedicados Medicina Energia Ecologia 23
Até 1995 existiam instalados 8.000 Aceleradores para Tratamento de Câncer nos USA; 800 para radiação de Plásticos; 3000 para Implantação de Ions. Impacto Social! 24
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Na área de Computação, os Físicos têm dado contribuições da maior importância para o desenvolvimento tanto de Hardware quanto de Software. O WWW é uma invenção dos Físicos do CERN (Tim Berners-Lee em 1989) Nosso Laboratório construiu juntamente com colegas dos Estados Unidos 3 Gerações de Computadores Paralelos para Supercomputação em Física e Engenharia. (Tradição de construir suas próprias ferramentas) (ACP1, ACP2, ACPMAPS, CPS, Heterogeneous Network, CHEP95) Para ficarmos com o exemplo mais atual vamos falar de nosso projeto uma Colaboração Regional, Nacional e Internacional. Um projeto de Física e Computação. 26
IV -UM PROJETO DE DESENVOLVIMENTO Para o início do Próximo Milênio Como dissemos anteriormente, os próximos experimentos, por exemplo o CMS no CERN, têm um número de parâmetros que mostra claramente como eles forçam novos desenvolvimentos * ~1500 Físicos, em Uma Centena de Instituições e algumas dezenas de Países, desejam trabalhar juntos para estudar a matéria o mais profundamente possível. * ~Grande produção de eventos. * ~Estocagem de Petabytes de Eventos. 27
Há inúmeros problemas técnicos sendo trabalhados para enfrentar o problema colocado. O caminho é a Colaboração Internacional, a Cooperação, onde se partilha tudo ou quase tudo. Nós sempre trabalhamos coletivamente e de forma "globalizada". Com respeito então à nossa proposta, abrindo possibilidades para o Brasil participar de aventuras científicas como esta, é essencial que : -Construir os Detectores de Captura de prótons espalhados de baixos ângulos, e -Construir uma das Unidades de Computação chamada de BRASDAS :-Brazilian Distributed Analysis System for CMS. 28
Quanto ao Detector, será semelhante a este recentemente construído por nós (LAFEX/CBPF, UERJ, UFRJ, UNESP, UNICAMP, UFBa e LNLS) Física Difrativa - Interações Fortes 29
Protótipo no LNLS Primeiro Montado no Fermilab 30
O Detector em Aluminio Fibras Óticas MAPMTs 31
Um dos Roman Pots tipo Quadripolo junto do Separador no Tevatron Os Roman Pots tipo Dipolo no Feixe do Tevatron 32
Estes Detectores estão dispostos nos dois lados do Grande Espectrômetro Dzero. Pesquisadores de várias instituições: Muitas outras instituições estrangeiras que participam do Dzero. 33
Vejamos agora a parte mais importante, do ponto de vista da Tecnologia Atual e Formação de Pessoal, para as necessidades do próximo século. Brazilian Distributed Analysis System for CMS 34
O que será a BRASDAS? - Uma unidade de Supercomputação inserida no contexto do GRID. - Aproximadamente 3500 CPUs trabalhando em Paralelo, de 1 Ghz cada; na tecnologia atual. - Uma capacidade de estocagem de Alguns Petabytes de discos inteligentes. (CDF e D0, cada um produzirá aproximadamente 450 TB/ano. Um exp. Do LHC produzirá 2-4 x) Para que? - Enfrentar as exigências de um experimento do próximo milênio. - Criar condições para formação de Pessoal em projetos desse porte. 35
- Criar condições para o desenvolvimento de competências. É claro que não somos nem deveríamos ser únicos. Uma Competição construtiva é sempre bem vinda. - Criar a possibilidade de cálculo científico nessa área e em outras que desejem fazer uso de supercomputação. Que instrumentos Precisam ser desenvolvidos? - O mais importante é a Colaboração Internacional e Nacional com base no suporte administrativo e financeiro do Ministério da Ciência e Tecnologia - Participação nos grupos da HEPIX e MONARC e obviamente do CMS. Onde? - No LNCC - Laboratório Nacional de Computação Científica, em Petrópolis. 36
Com Quem? - ComPesquisadores - Físicos e Engenheirosdas Instituições: (não é um grupo fechado) 37
Que Tópicos podem ser desenvolvidos além da Física de Altas Energias e outras Ciências? -Redes de Alta Velocidade (600 MB - 2 GB) -Engenharia de conexão -Processos Massivamente Paralelos -Estocagem, Acesso e Gerência de Grande Quantidade de Dados (Petabytes) -Distribuição e Acesso de Dados para Análises -Gerenciamento de Milhares de Computadores -Engenharia de Software -Software Científico... Contrapartidas: CERN, FERMILAB, GRID, Empresas Nacionais e Multinacionais, Instituições Acadêmicas, MCT,... Custo: Estimativa : ~9 M$USA 38
Cronograma 2000 Novembro - Aprovação ou não pelo MCT com liberação de verba adequada para dar início aos trabalhos. Janeiro 2001 - Início dos trabalhos Janeiro - Reunião Local do CMS com membros do Fermilab/Cern. Fevereiro - Aquisição da unidade Protótipo de trabalho. Fevereiro/Março - Assinatura de Acordos Junho - Aquisição das outras máquinas (Total de 300)... Junho até Junho 2003 - P & D Instalação Final - 2004/2005 39
Computação e Comunicação Perspectivas para o LHC Computing Power No Cern (~1980) Descoberta dos Bosons W e Z - comparável a um Computador Moderno de 1995 Processadores O Número de processadores no LHC = ao número de workstations e PCs rodando hoje no CERN (~10.000) Taxa de Transmissão de Dados Durante um SEGUNDO de produção de dados do LHC serão transmitidos para a rede o equivalente a: - A quantidade de dados de um dia do Cern de Hoje, ou - A quantidade de dados transmitida pela Companhia Telefônica (=100 milhões de chamadas telefônicas), ou - A quantidade de dados transmitida pela WWW em Janeiro de 2000 40
Historia Resumida da Computação e novas fronteiras ~? O Abacus 1600 - Técnicas Numéricas, Máquina Calculadora 1800 - Máquinas Mecânicas - Cartas Perfuradas 1900 - Cartas Electromechanicas 1940 - Eletrônica Digital - Primeiros Computadores 1960-1a. Geração de Comp. Comerciais:Univac, Fortran, 1965-2a. Geração: Comp. De Propósito Geral: IBM, DEC, COBOL, Basic, Circuitos Integrados 1971-3a. Geração: 1o. Chip Microprocessador - Pascal, C e UNIX 1975 - Micicomputador, Microcomputador, Window, Mouse, Cray SuperComp. 1980 - PC, Apple, Microsoft, Processadores Vetoriais 1984 - Computação Paralela - Farms - OO/C++ 1990 - Comp. Massivamente Paralela - Internet, WEB 1995 - Explosão das Redes 2000 - Presente: Grande fusão, Pc-lização, Comunicação Mundial, >>>>G R I D. 41
O CERN, e a GRID O CERN é um Laboratório fundado nos anos 50 para estudar a natureza da natureza. -Missão: Ciência Pura -Tem 20 Países membros Europeus. -Trabalham sistematicamente em Experimentos no CERN, cerca de 7000 cientistas de 80 nacionalidades. -Tem um orçamento annual da ordem de 500 M$US 42
GRID -Em 1989 Tim Berners-Lee, juntamente com um grupo do CERN, inventa a World Wide Web - WWW - que visava responder ao crescimento das colaborações da era LEP e Tevatron. - Foi talvez a maior revolução na comunicação mundial, criando uma nova realidade e abrindo as portas para o que se chama hoje de " La Nouvelle Economie ". Portanto, LEP,TevI - LHC,Novo Mundo da WWW WWW GRID 43
O que é o LHC (Large Hadron Collider?) - é um novo acelerador que fará choques de prótons contra prótons a uma energia de 14 TeV -A finalidade principal é compreender a origem das massas. -Seus Experimentos ATLAS, ALICE, CMS & LHCb produzirão, cada um, informações correspondentes a aproximadamente uma torre de CD-ROM de 1600 metros ou 5 Torres Eiffel. 44
-Uma comparação com o nosso quotidiano: isto corresponde à quantidade de informação produzida por todos os habitantes da terra, se cada pessoa estivesse ligada a 20 telefones ao mesmo tempo. -É preciso filtrar e tratar estes dados antes de dizer o que está acontecendo ou tirar conclusões. 40 40 Mhz,109 Eventos/sec,< 1 Peta Byte/sec Level 1 - Special Hardware 75 Khz Level 2 Embebed Processors 5 Khz Level 3 - Pcs Event Filter 100 Hz - 100 Events/sec - 100 Mega Byte/sec Data Recording: 107 sec/year 1 PetaByte/Year & Offline analysis 45
Criou-se o MONARC - Models of Networked Analysis at Regional Centres for LHC Experiments que está estudando o problema. -Um resultado foi desenhar a comunicação a nível mundial criando uma hierarquia natural de participação. Os "Tiers" (Camadas ou Níveis) que são classes das Unidades de Computação. Offline Farm Tier 0 CERN Computer Center Tier 1 Tier 2 Physics Data Cache France Regional Center Germany Regional Center Italy Regional Center Fermilab UK Regional Center... Tier 3 Center Center Center Center Center Tier 4 Institute Institute Institute Workstations 46
-Vem dos Estados Unidos então uma nova visão da computação e das Redes de Computação. -A GRID seria um conjunto de recursos computacionais a nível mundial constituído por supercomputadores, fazendas de processadores discos, databases, informação, ferramentas de colaboração e pessoas, ligadas por uma rêde de Alta Velocidade. -O desejo de seus idealizadores é fazer com que o usuário/consumidor tenha o mesmo procedimento que aquele de ligar na tomada um aparelho eletrodoméstico. Isto é, Não nos perguntamos se a eletricidade vem de Itaipú ou de Angra ou de qualquer outro lugar. Funciona! Como seria nosso Modelo? 47
Distributed Analysis System Organization A possible model for Brazilian Unity CERN T0 622 MB/s T1 ~7TIPS 622 MB/s France Germany Italy BRAZIL USA T3 622 Mb/s Institutes Institutes Institutes Institutes Institutes Institutes Regional Centers Regional 2.4 Gb/s Centers Regional Centers Regional Centers Regional Centers Regional T2 Centers ~4 TIPS only for CMS 100-1000 Mb/s T4 1 TIPS = 25.000 SpecInt9 1 PC(1 GHz) ~ 50 SpecInt95 3500 Pcs = 7 TIPS 48
3.500 CPUs = 70 Unidades deste tipo CPUs Robot de Fitas Conexões de Rêde Nobreak Disco Array 49
V - CONCLUSÃO O Brasdas é um Projeto de Desenvolvimento que traz consigo o que chamamos de casamento estratégico entre Ciência e Tecnologia. -O Brasdas permite exercer Pesquisa Básica-Formação de Pessoal-Indústria -É fundamental o apoio destes 3 segmentos representados por MCT, MEC e MIC a nível de governo, + Empresários. -Permite desenvolvimento de Competências necessárias no próximo século. -Permite criar novos empregos em vários níveis, Movimenta a Economia Local em quase todos os setores. 50
O CERN, e a GRID O CERN é um Laboratório fundado nos anos 50 para estudar a natureza da natureza. -Missão: Ciência Pura -Tem 20 Países membros Europeus. -cerca de 7000 cientistas -80 nacionalidades. -Tem um orçamento annual da ordem de 500 M$US 51
O FERMILAB, e a GRID O FERMILAB é um Laboratório fundado nos anos 70 para estudar a natureza da natureza. -Missão: Ciência Pura -É um Laboratório Nacional Americano - cerca de 3000 cientistas -Colaborações Internacionais -Tem um orçamento annual da ordem de 200 M$US -Tradição em Desenvolvimento de sistemas de Computação 52