وبلاگ

Newswise – تکنیک استریم امکان پخش داده ها را در حین تولید فراهم می کند.

هنگامی که دانشمندان می خواهند به ساختار کوچکی در یک ماده نگاه کنند، حتی یک ساختار فقط چند اتم، اغلب به میکروسکوپ اشعه ایکس روی می آورند.

میکروسکوپ‌های اشعه ایکس تا جایی پیش می‌روند که داده‌های بیشتری از آنچه دانشمندان می‌توانند به طور مؤثر پردازش کنند، حتی با حجم زیاد تولید می‌کنند. ابر رایانه ها. در نتیجه، محققان به دنبال تکنیک‌های جدیدی هستند که به آن‌ها اجازه دهد تا داده‌ها را در پرواز پردازش کنند، به این معنی که داده‌ها را در حین جمع‌آوری تجزیه و تحلیل می‌کنند و سپس نتایج را به آزمایش برمی‌گردانند تا در نهایت مسیری را ایجاد کنند. کشف خودمختار.

دانشمندان منبع فوتون پیشرفته (APS) در آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) اخیراً روش جدیدی را توسعه داده اند که شامل فراگیری ماشین – در قالب یک شبکه عصبی – در یک رونتگن تکنیک میکروسکوپی فرآیند جدید به محققان این امکان را می دهد که زمان کمتری را برای نمونه برداری از مواد خود صرف کنند و سرعت پردازش داده ها را بیش از 100 برابر افزایش می دهد، در حالی که حجم داده های جمع آوری شده را 25 برابر کاهش می دهد. APS یک تسهیلات کاربری دفتر علوم DOE است.

متیو چروکارا، رهبر گروه Argonne و دانشمند محاسباتی، نویسنده این مطالعه، می گوید: «مشکل این است که ابزارهای تجزیه و تحلیل مرسوم نمی توانند با نرخ داده ها هماهنگی داشته باشند. “بنابراین ما در این وضعیت هستیم که شما این قطعات سخت افزاری فوق العاده پیچیده و خارق العاده را دارید، اما ما ابزاری برای تجزیه و تحلیل تمام داده هایی که آنها می توانند تولید کنند را نداریم.”

به گفته Cherukara، تجزیه و تحلیل داده‌های این مطالعات بدون ابررایانه می‌تواند روزها تا هفته‌ها طول بکشد، و حتی با یک ابررایانه ممکن است ساعت‌ها طول بکشد.

او گفت: «شبکه عصبی جدید به این معنی است که ما می‌توانیم بسیاری از این آزمایش‌ها را در چند دقیقه با سرعت کامل ابزار اجرا کنیم.

رهبر گروه Argonne، Antonino Miceli، نویسنده دیگر این مطالعه، خاطرنشان کرد که توانایی انجام سریع این آزمایش‌ها و تنظیم خود به خودی شرایط به دانشمندان یا ابزارهای مستقل اجازه می‌دهد تا «انتخاب‌های چند ثانیه‌ای» در مورد چگونگی تجزیه و تحلیل نمونه داشته باشند.

او گفت: «اگر توانایی تجزیه و تحلیل داده‌ها را نداشته باشید، نمی‌توانید این تصمیم‌ها را بگیرید.

تائو ژو، فیزیکدان آرگون، نویسنده دیگر این مطالعه، گفت: تکنیک جدید در نهایت می تواند زمان را برای آزمایش های بیشتر و بهتر در APS آزاد کند.

ژو گفت: “بیشتر افرادی که به APS سفر می کنند، برای یک هفته آزمایش آماده می شوند، و در پایان هفته با داده های خود که در خانه تجزیه و تحلیل می کنند، ترک می کنند.” “اگر در طول تجزیه و تحلیل چیز جالبی پیدا کنند که بخواهند اندازه گیری های بیشتری روی آن انجام دهند، معمولا باید منتظر آزمایش های بعدی در APS باشند. این تکنیک اساساً به افراد امکان می‌دهد تحلیل را در زمان واقعی بر روی خط پرتو انجام دهند، بنابراین اگر چیز جدید و جالبی در نمونه ببینند که پیش‌بینی نمی‌کردند، می‌توانند تقریباً بلافاصله آماده و قادر به تطبیق شوند.

این تکنیک جدید به نام استریم پتیکوگرافی (ty-KAH-grah-fee) است. بخش استریم بسیار شبیه به یک برنامه پخش ویدئو مانند نتفلیکس عمل می کند، با این تفاوت که شما می توانید به عنوان دانشمندان یا دیگران تغییراتی در خود آزمایش ایجاد کنید. فراگیری ماشین عوامل به آنچه می بینند واکنش نشان می دهند. تصور کنید یک گربه خانگی در حال تصحیح پرش خود در حالی که تلاش می کند نقطه قرمز یک نشانگر لیزری را بگیرد و شما این ایده را دریافت می کنید. از آنجایی که داده‌ها تقریباً در زمان واقعی تجزیه و تحلیل می‌شوند، تمرکز آزمایش را می‌توان روی پدیده‌های مورد علاقه در حین مشاهده آنها به صفر رساند.

“ما توانایی تجزیه و تحلیل داده های خود را در حین تولید دریافت می کنیم. این هوش مصنوعی چروکارا گفت: با پیشرفت آزمایش یاد می‌گیرد.

آناها بابو، محقق سابق فوق دکترا در ادامه می‌افزاید: «داشتن این محاسبات داخلی در نزدیکی خط پرتو به ما امکان می‌دهد تا زمانی که آزمایش در حال انجام است، بدون نیاز به ارسال داده‌ها به ابر یا ابر محاسباتی، فوراً اصلاحات را انجام دهیم.» آرگون، که در حال حاضر محقق KLA-Tencor و نویسنده دیگری از این مطالعه است. این نوع تنظیم ممکن است در طیف وسیعی از آزمایش‌ها که ممکن است بر اساس داده‌های بلادرنگ نیاز به تنظیمات باشد، فراتر از پتیکوگرافی کاربرد داشته باشد.

Ptychography، یک تکنیک تصویربرداری که به طور گسترده در میکروسکوپ اشعه ایکس، نوری و الکترونی استفاده می‌شود، مدت‌هاست که به دلیل توانایی آن در ارائه تصاویر با وضوح بالا از اجسام با اندازه سانتی‌متر با حداقل آماده‌سازی نمونه شناخته شده است. با این حال، روش‌های سنتی مورد استفاده برای پردازش تصویر می‌توانند آهسته و از نظر محاسباتی فشرده باشند و مانع تصویربرداری بلادرنگ شوند.

روند جریان به این صورت عمل می کند: توسعه دهندگان کامپیوترهای با کارایی بالا را در مرکز محاسبات رهبری Argonne (ALCF) مستقر کردند تا اولین دور محاسبات محاسباتی فشرده را برای بازیابی فاز از الگوهای پراش تولید شده توسط اشعه ایکس انجام دهند. سپس از این اندازه‌گیری‌ها برای آموزش یک شبکه عصبی استفاده شد، که پس از آن می‌توانست محاسبات مشابه دقیق‌تری را با هزینه محاسباتی کمتر و نزدیک به خط پرتو با سرعت بیشتری انجام دهد. ALCF همچنین یکی از امکانات کاربری دفتر علوم DOE است.

تکین بیسر، دانشمند کامپیوتر Argonne، یکی دیگر از نویسندگان این مطالعه گفت: “شما باید مطمئن شوید که شبکه عصبی شما به خوبی آموزش داده شده است.” از آنجایی که آموزش مدل در طول آزمایش انجام می‌شود، تخمین‌هایی را تولید می‌کند که با کسری از هزینه‌های محاسباتی به آنچه در یک ابر رایانه به دست می‌آورید نزدیک است و تأخیر را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.»

بیسر توضیح داد که آموزش اولیه شبکه عصبی نباید زمان زیادی ببرد.

او گفت: وقتی برای اولین بار ابزار را روشن می کنید، نمی توانید از شبکه عصبی استفاده کنید زیرا هنوز آموزش ندیده است. اما به محض دریافت اطلاعات از تجزیه و تحلیل متعارف، می توانید از شبکه عصبی استفاده کنید.

با استفاده شدن فراگیری ماشین در الگوهای پراش پرتو ایکس منفرد، جریان کار نیاز به محدودیت‌های همپوشانی نمونه فشرده معمولی معمولی پتیکوگرافی را از بین می‌برد، در حالی که دوز پرتو مورد نیاز را نیز به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. این پیشرفت خطر آسیب نمونه را کاهش می دهد و آن را برای تصویربرداری از مواد ظریف مناسب می کند.

چروکارا توضیح داد که شبکه عصبی را می توان برای میکروسکوپ های الکترونی و نوری نیز اعمال کرد.

او گفت: «پیشرفته‌ترین میکروسکوپ‌های جهان دیگر به دلیل کمبود قابلیت‌های آنالیز عقب‌نشینی نخواهند کرد و می‌توانند با پتانسیل کامل خود کار کنند.

مقاله ای بر اساس مطالعه ظاهر شد ارتباطات طبیعت.

این کار توسط دفتر علوم DOE، دفتر علوم پایه انرژی، و کمک هزینه تحقیق و توسعه به آزمایشگاه Argonne تأمین مالی شد. این کار از خط پرتو نانوپروب پرتو ایکس سخت Argonne استفاده می کند، که تلاش مشترک با APS و مرکز Argonne برای مواد نانومقیاس، یکی دیگر از امکانات کاربر دفتر علوم DOE است.

برای مرکز آرگون برای مواد نانومقیاس
مرکز مواد در مقیاس نانو یکی از پنج مرکز تحقیقاتی نانومقیاس DOE است که پیشروترین امکانات کاربر ملی برای تحقیقات بین رشته‌ای در مقیاس نانو است که توسط دفتر علوم DOE نگهداری می‌شود. با هم، NSRCها مجموعه‌ای از تسهیلات تکمیلی را تشکیل می‌دهند که قابلیت‌های پیشرفته‌ای را برای ساخت، پردازش، شناسایی و مدل‌سازی مواد در مقیاس نانو در اختیار محققان قرار می‌دهند و بزرگ‌ترین سرمایه‌گذاری زیرساختی ابتکار ملی نانوتکنولوژی را نشان می‌دهند. NSRCها در آزمایشگاه‌های ملی آرگون، بروکهاون، لارنس برکلی، اوک ریج، ساندیا و لوس آلاموس DOE واقع شده‌اند. برای اطلاعات بیشتر در مورد NSRC DOE، لطفاً مراجعه کنید https://sci​ence.osti sr-faci l iti es-at-a-a-lance.

تسهیلات محاسباتی رهبری آرگون قابلیت‌های ابر محاسباتی را به جامعه علمی و مهندسی برای پیشبرد کشف و درک بنیادی در طیف گسترده‌ای از رشته‌ها ارائه می‌کند. ALCF که توسط برنامه تحقیقات محاسبات علمی پیشرفته (ASCR) وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) پشتیبانی می شود، یکی از دو مرکز محاسباتی رهبری DOE در کشور است که به علم باز اختصاص دارد.

درباره منبع فوتون پیشرفته

منبع فوتون پیشرفته (APS) دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده در آزمایشگاه ملی آرگون یکی از پربازده‌ترین امکانات منبع نور پرتو ایکس در جهان است. APS پرتوهای ایکس با روشنایی بالا را در اختیار جامعه متنوعی از محققان در علم مواد، شیمی، فیزیک ماده متراکم، علوم زیستی و محیطی و تحقیقات کاربردی قرار می دهد. این اشعه ایکس برای مطالعه مواد و ساختارهای بیولوژیکی مناسب است. توزیع عنصری؛ حالات شیمیایی، مغناطیسی، الکترونیکی؛ و طیف گسترده ای از سیستم های مهندسی مهم از نظر فن آوری از باتری ها به اسپری های انژکتوری که همگی زیربنای رفاه اقتصادی، فنی و فیزیکی کشور ما هستند. هر سال بیش از 5000 محقق از APS برای تولید بیش از 2000 مقاله در توصیف اکتشافات چشمگیر و حل ساختارهای پروتئینی بیولوژیکی مهم تری نسبت به کاربران هر مرکز تحقیقاتی منبع نور پرتو ایکس استفاده می کنند. دانشمندان و مهندسان APS در حال ابداع فناوری هستند که زیربنای عملیات پیشرفته شتاب دهنده و منبع نور است. این شامل دستگاه‌های درج می‌شود که پرتوهای ایکس بسیار درخشان تولید می‌کنند، لنزهایی که پرتوهای ایکس را تا چند نانومتر متمرکز می‌کنند، ابزارهایی که نحوه تعامل پرتوهای ایکس با نمونه‌های مورد مطالعه را به حداکثر می‌رسانند، و نرم‌افزاری که جمع‌آوری و مدیریت می‌کند. حجم عظیمی از داده های حاصل از اکتشافات در APS.

این تحقیق از منابع موجود در Advanced Photon Source، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE ایالات متحده که توسط آزمایشگاه ملی Argonne تحت قرارداد شماره DE-AC02-06CH11357 برای دفتر علوم DOE اداره می‌شود، استفاده کرد.

آزمایشگاه ملی آرگون به دنبال راه حلی برای مشکلات مبرم ملی در علم و فناوری است. اولین آزمایشگاه ملی کشور، Argonne، تحقیقات پایه و کاربردی پیشرو را در تقریباً هر رشته علمی انجام می دهد. محققان آرگون با محققان صدها شرکت، دانشگاه، و سازمان های فدرال، ایالتی و شهرداری همکاری نزدیک دارند تا به آنها کمک کنند تا مشکلات خاص خود را حل کنند، رهبری علمی آمریکا را ارتقا دهند و کشور را برای آینده ای بهتر آماده کنند. با کارکنان بیش از 60 کشور، Argonne توسط مدیریت می شود UChicago Argonne, LLC برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده.

دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://energy.gov/scence.