442

Учёные приспособили видеокарту для управления плазмой в термоядерном реакторе

Недавно мне встретился пост на тему того, почему так растут цены на видеокарты. Что ж, теперь к майнерам, перекупщикам и прочим всадникам Апокалипсиса можно добавить ещё и физиков. Коллектив учёных из университета Вашингтона разработал экспериментальный термоядерный реактор, в котором плазма контролируется при помощи видеокарты от Nvidia. Давайте разбираться, почему это не очередная новость с «Панорамы».

Учёные приспособили видеокарту для управления плазмой в термоядерном реакторе Наука и техника, Термоядерный синтез, Токамак, Видеокарта, Nvidia, Физика, Видео, Длиннопост

Для запуска реакции термоядерного синтеза плазму необходимо разогреть до 150 000 000 °C. Никакой материал не может выдержать такую температуру, поэтому плазму контролируют бесконтактным способом — с помощью магнитного поля. Наиболее известны термоядерные реакторы типа токамак («тороидальная камера с магнитными катушками»). В токамаках плазма имеет форму, близкую к тору.

Учёные приспособили видеокарту для управления плазмой в термоядерном реакторе Наука и техника, Термоядерный синтез, Токамак, Видеокарта, Nvidia, Физика, Видео, Длиннопост

Нет, не к этому

Учёные приспособили видеокарту для управления плазмой в термоядерном реакторе Наука и техника, Термоядерный синтез, Токамак, Видеокарта, Nvidia, Физика, Видео, Длиннопост

Вот к этому


Через плазму течёт электрический ток, который, во-первых, нагревает её, а во-вторых, создаёт магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем катушек и формирует плазменный бублик, не касающийся стенок установки.


Но экспериментальный реактор, о котором мы говорим сегодня, относится к другому типу — сферомак.

Учёные приспособили видеокарту для управления плазмой в термоядерном реакторе Наука и техника, Термоядерный синтез, Токамак, Видеокарта, Nvidia, Физика, Видео, Длиннопост

Всё ещё достоин актуален!


Рабочая камера установки, выполненная из хромированной меди с изолирующим слоем оксида алюминия, образована двумя направленными друг на друга конусами. К камере подключены три инжектора, каждый из которых имеет два взаимно ортогональных набора катушек. Пропускание тока через эти катушки формирует спиралевидные магнитные поля, которые и удерживают плазму от соприкосновения со стенками камеры.

Учёные приспособили видеокарту для управления плазмой в термоядерном реакторе Наука и техника, Термоядерный синтез, Токамак, Видеокарта, Nvidia, Физика, Видео, Длиннопост

В отличие от токамака, у сферомака нет системы магнитных катушек, опоясывающих всю рабочую камеру. Определяющей для работы сферомака является именно магнитная спиральность — мера «закрученности» магнитного поля в плазме, а формирование и удержание плазменного кольца полностью зависит от чёткой работы инжекторов.

На видео яркие потоки плазмы, поступающие из инжекторов в верхней части устройства, собираются в кольцо вокруг двух конусов. Показанный процесс длится всего 0,003 секунды.


Система управления должна оперативно изменять амплитуду, фазу и смещение характеристик плазмы на выходе инжекторов, подстраиваясь под поведение плазменного кольца внутри рабочей камеры. В токамаках плазма довольно статична, и всё, что требуется от контроллеров, — это периодически подталкивать её, чтобы она оставалась на своём месте. Здесь же необходимо обеспечивать активное удержание плазмы в куда более динамичной системе.


В предыдущих версиях установки использовалось девять микроконтроллеров Blackfin BF537. У каждого контроллера был только один канал аналого-цифрового преобразования (АЦП) с частотой дискретизации 400 кГц. Этого было недостаточно для отслеживания временно́й фазы сигналов инжектора на высоких частотах, а пропускная способность связи между блоками микроконтроллера была очень низкой, что не позволяло использовать сложные алгоритмы управления. Да, физики тоже страдают от тормозов и лагов.

Учёные приспособили видеокарту для управления плазмой в термоядерном реакторе Наука и техника, Термоядерный синтез, Токамак, Видеокарта, Nvidia, Физика, Видео, Длиннопост

Но всё меняется, когда приходят они — ускорители Nvidia Tesla P40. Это практически те же самые видеокарты, на которых вы гоняете в современные игрушки... ну или не гоняете (нищие вздохи сожаления). Программное обеспечение, полностью работающее на GPU, принимает данные от АЦП, обрабатывает их и формирует управляющие сигналы для контроллеров широтно-импульсной модуляции (ШИМ). А те, в свою очередь, уже управляют работой инжекторов.

Учёные приспособили видеокарту для управления плазмой в термоядерном реакторе Наука и техника, Термоядерный синтез, Токамак, Видеокарта, Nvidia, Физика, Видео, Длиннопост

Система управления задействует семь ядер GPU — по два для гномов и эльфов на каждый инжектор и одно, чтобы править всеми. Общая скорость передачи данных между GPU и остальными частями установки — порядка 330 Мб/с.


Использование быстродействующего контроллера на базе видеокарты позволяет продлить время жизни плазмы в установке, что даёт больше возможностей для её изучения, а значит — приближает всех нас к контролируемому термоядерному синтезу. Ради такого дела можно и потерпеть слайд-шоу в исполнении верной 8800 GTX. Тем более что есть масса прекрасных игр, которым 3D-ускоритель вообще не нужен.

Учёные приспособили видеокарту для управления плазмой в термоядерном реакторе Наука и техника, Термоядерный синтез, Токамак, Видеокарта, Nvidia, Физика, Видео, Длиннопост

Пост подготовлен по материалам семинара «Актуальная наука» в Политехническом музее. Источник новости