[論文レビュー] First Results with HIJING++ on High-energy Heavy Ion Collisions

Gábor Papp, G. G. Barnaföldi+7 more|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|May 7, 2018

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、PYTHIA8に基づき、更新された核効果を備えた完全にC++で記述されたモジュラーで並列化された高エネルギー重イオン衝突用イベントジェネレータであるHIJING++ 3.1.1を提示する。スレッドレベルの並列化により約24倍の高速化（非並列化部分が4.2%）を達成し、√sNN = 5.02 TeVにおけるppおよびpPb衝突のチャージドハドロンスペクトルおよび核修飾係数R_{pPb}についてALICEデータと良好な一致を示すが、ジェットクエンチングモデルの改善の余地がある。

ABSTRACT

We present preliminary results with HIJING++ (3.1.1) for identified hadron production in high-energy heavy ion collisions at LHC energies. The recently developed HIJING++ version is based on the latest version of PYTHIA8 and contains all the nuclear effects that have been included in the HIJING2.552, which will be improved by a new version of the shadowing parametrization and jet quenching module. Here, we summarize the structure and the speed gain due to parallelization of the new program code, also presenting some comparison between experimental data.

研究の動機と目的

• レガシーフォートランベースのHIJINGイベントジェネレータを、現代のHEPソフトウェア（例：AliRoot）と互換性のあるポータブルでモジュラーかつ並列化可能なC++フレームワークに近代化すること。
• 最新のPYTHIA8およびLHAPDF6ライブラリを用いて、$Q^2$依存のシャドウイングやジェットクエンチングなどの更新された核効果を実装すること。
• マルチスレッド並列化により大幅な計算速度向上を達成するとともに、元のHIJING 2.552と同等の物理的正確性を維持すること。
• 将来の大規模検出器シミュレーションフレームワークへの統合を可能にし、GPUアクセラレートされた乱数生成をサポートすること。
• 将来のコライダーにおける次世代シミュレーションの基盤を提供し、より優れた現象論的モデリングと拡張性を実現すること。

提案手法

• オブジェクト指向C++で、元のFORTRAN HIJING 2.552コードをPYTHIA8のクラス構造を基盤として再実装した。
• シャドウイング（$Q^2$依存性を含む）、クロニン効果、ジェットクエンチング、複数パートン相互作用といった核効果をモジュラークラスを用いて統合した。
• HijQueueおよびHijManagerクラスを用いてスレッドベースの並列化を実装し、CPUコア間でイベントを分散した。
• ユーザー定義の解析を可能にするHijAnalysisクラスを導入し、設定可能なヒストグラム収集モジュールを提供した。
• パフォーマンス最適化のため、初期テストでデフォルトのPRNGをGPU互換バージョンに置き換えた。
• Amdahlの法則を適用して速度向上を定量的に評価し、非並列化部分（主にキュー管理）が4.2%であることを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 旧来のFORTRANベースのHIJINGコードから、コア物理を保持したまま、現代的でC++ベースで並列化されたイベントジェネレータを開発可能か？
• RQ2 新しいHIJING++モデルは、√sNN = 5.02 TeVにおけるppおよびpPb衝突のチャージドハドロンスペクトルをどの程度実験データと再現するか？
• RQ3 スレッドレベルの並列化は計算時間をどの程度短縮できるか？また、理論的スピードアップ限界は何か？
• RQ4 現在のジェットクエンチングモデルがなぜ核修飾係数R_{pPb}を過剰に抑制してしまうのか、そしてどのように改善できるか？
• RQ5 モジュラーなC++設計は、AliRootのような大規模HEPシミュレーションフレームワークへのシームレスな統合を可能にするか？

主な発見

• Amdahlの法則のフィッティングにより、20スレッドシステム上でのHIJING++ 3.1.1の最大理論的スピードアップは約24倍に達し、コードの4.2%が非並列化されていることが確認された。
• √s = 5.02 TeVにおけるpp衝突のチャージドハドロン生成断面積は、ALICEデータの50%以内に収まり、チューニングに応じて中間および高pT領域でPYTHIA8を上回る性能を示した。
• √sNN = 5.02 TeVにおけるpPb衝突では、ハドロンスペクトルおよび核修飾係数に関して、HIJING++の結果はALICEデータと30%以内で一致した。
• 核修飾係数R_{pPb}はHIJING++において一般的に抑制されていることから、エネルギー損失が過剰に見積もられている可能性が示唆され、これはN_binスケーリングのN_partに対する不適切な取り扱いが原因である可能性がある。
• コード構造は、GLVやGPUアクセラレートされた乱数生成といった高度なジェットクエンチングモデルの将来的な統合を可能としており、初期テストではわずかな速度向上が得られた。
• モジュラーなC++設計により、保守性の向上、拡張性の向上、現代のHEPソフトウェアスタック（例：AliRoot）との互換性が向上し、コードの肥大化や相互依存性の低減が実現された。