[論文レビュー] Acts: A common tracking software

X. Ai|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 11

ひとこと要約

ACTS は、将来の高インテンシティ衝突装置（HL-LHC や FCC など）における高性能でスレッドセーフなトラック再構成を目的とした、フレームワークおよび検出器に依存しないトラッキングソフトウェアツールキットである。C++ コンセプト、ベクトル化された線形代数、並列アルゴリズムを活用し、現代のマルチコアおよびアクセラレータアーキテクチャ上で効率的かつスケーラブルなトラッキングを実現し、検証テストでは近似的に100％のカルマンフィルタ適合効率と適切にキャリブレーションされたパrameterの不確実性を達成した。

ABSTRACT

The reconstruction of charged particle trajectories is one of the most complex and CPU consuming parts of event processing in high energy experiments. At future hadron colliders such as the High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) or the Future Circular Collider (FCC), the significantly increased number of simultaneous collisions will result in a much more challenging tracking environment. Concurrent algorithms exploiting modern computing architectures with many cores and accelerators are necessary to maintain and improve the tracking performance. Based on the tracking experience at LHC, the ACTS project is an attempt to encapsulate the current ATLAS software into a experiment-independent and framework-independent software designed for modern computing architectures. It provides a set of high-level track reconstruction tools which are agnostic to the details of the detection technologies and magnetic field configuration. The software has been fully tested for thread-safety to support parallel execution of the code and its data structures are optimized for vector operations to speed up linear algebra operations.

研究の動機と目的

• 将来の衝突装置（HL-LHC や FCC など）における高積層環境下でのトラック再構成の計算負荷の増大に対処すること。
• 現代のマルチコアおよびアクセラレータアーキテクチャ上で並列実行を可能にする、検出器およびフレームワークに依存しないトラッキングソフトウェアの開発。
• コンパイラーのテンプレート、最小限の仮想インターフェース、およびベクトル化演算に最適化されたデータ構造を用いて、スレッドセーフかつパフォーマンスを確保すること。
• アルゴリズム開発と継続的インテグレーションを支援するモジュラーで拡張可能なプラットフォームを提供し、将来のトラッキングアルゴリズム研究を支援すること。
• AthenaMT などの既存フレームワークとの統合を可能とし、並列環境下でのアライメント、キャリブレーション、磁場コンテキストの取り扱いをサポートすること。

提案手法

• 仮想インターフェースの代わりに C++ コンセプトを用いて、ランタイムオーバーヘッドを最小限に抑えたモジュラーで型安全なコンponentを定義する。
• 2段階のアーキテクチャを採用：acts-core（検出器に依存しないトラッキングツールキット）と、Gaudi を模した test フレームワークを備えた acts-framework（スレッドセーフと CI の検証用）。
• 複雑なマテリアルおよび磁場効果を扱える柔軟な Propagator を実装し、MultiStepper と MultiMaterialInteractor を使用する。
• フラグと適合品質指標を備えた TrackState クラスを用いて、カルマンフィルタの結果（予測値、フィルタ値、平滑化値）を格納・解釈する。
• 非ガウス型エネルギー損失モデル（例：ガウス和フィルタを用いた電子のエネルギー損失）のための MultivariantBoundParameters および MultivariantCurvilinearParameters を用いたマルチコンポonentトラッキングをサポートする。
• GeometryContext、CalibrationContext、MagneticFieldContext を含む AlgorithmContext を導入し、並列実行中にリアルタイムでアライメント、キャリブレーション、磁場更新を可能にするコンテキストデータの取り扱いを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現代のマルチコアおよびアクセラレータアーキテクチャ上で、スレッドセーフ性を維持したまま効率的にスケーリング可能なトラック再構成ソフトウェアは、どのように設計できるか？
• RQ2 フレームワークに依存せず検出器に依存しないトラッキングツールキットは、モノリシックでフレームワーク依存の実装と比較して、どれほど高いパフォーマンスと保守性を達成できるか？
• RQ3 最小限の仮想インターフェースを備えた C++ テンプレートベースの設計は、従来の仮想インターフェースアプローチに比べ、実行速度およびコンパイル効率において優れていると期待できるか？
• RQ4 ACTS のカルマンフィルタは、現実的な検出器条件下で、適合効率およびパrameter不確実性推定の観点から、どの程度の性能を示すか？
• RQ5 ACTS は、並列実行中にアライメント、キャリブレーション、磁場の変化を含む複雑なワークフローを、スレッドセーフにサポートできるか？

主な発見

• 10,000 個のシミュレートされたミューオンを対象としたテストで、ACTS の KalmanFilter は、全範囲のミューオンのピロタリティ（pseudorapidity）および横運動量範囲でほぼ100％の適合効率を達成した。
• KalmanFilter からのトラックパラメータのプル分布は、幅が1に近いガウス分布に近く、誤差推定が正確であることを示している。
• ACTS のシードファインダーは、ATLAS のシードファインダーと比較して正当性が確認され、AthenaMT 内のマルチスレッド実行でも正しく動作することが裏付けられた。
• ATLAS ディテクタ記述（例：GeoModel、DD4Hep）から変換された ACTS TrackingGeometry は、ATLAS 内部検出器およびコンパクト器を通過する粒子の伝搬について、正常に検証された。
• AlgorithmContext の使用により、イベント依存のアライメント定数を伴うリアルタイムの伝搬が成功裏に実現され、スレッドセーフなコンテキストデータ取り扱いの有効性が裏付けられた。
• ガウス和フィルタ、MultiUpdater、MultiSmoother のプロトタイプ実装は現在開発中であり、今後のリリースで完全な検証が計画されている。