[論文レビュー] LCIO - A persistency framework for linear collider simulation studies

Frank Gaede, T. Behnke+2 more|ArXiv.org|Jun 13, 2003

Distributed and Parallel Computing Systems被引用数 8

ひとこと要約

LCIO は、線形衝突機のシミュレーションおよび再構築ソフトウェア間でのデータ保存と共有を統一するために設計された軽量で拡張可能な永続化フレームワークです。AID ツールを用いて同期された Java、C++、Fortran API を提供し、SIO を初期の機械非依存で圧縮された順方向ファイル形式として採用することで、国際的な検出器研究開発グループ間での相互運用性を実現し、重複を低減します。

ABSTRACT

Almost all groups involved in linear collider detector studies have their own simulation software framework. Using a common persistency scheme would allow to easily share results and compare reconstruction algorithms. We present such a persistency framework, called LCIO (Linear Collider I/O). The framework has to fulfill the requirements of the different groups today and be flexible enough to be adapted to future needs. To that end we define an `abstract object persistency layer' that will be used by the applications. A first implementation, based on a sequential file format (SIO) is completely separated from the interface, thus allowing to support additional formats if necessary. The interface is defined with the AID (Abstract Interface Definition) tool from freehep.org that allows creation of Java and C++ code synchronously. In order to make use of legacy software a Fortran interface is also provided. We present the design and implementation of LCIO.

研究の動機と目的

• 国際的な線形衝突機のシミュレーションおよび再構築ソフトウェアフレームワーク間で共通のデータ永続化形式が欠如している問題に対処すること。
• 異なるプログラミング言語を使用する多様な研究グループ間で、再構築アルゴリズムのデータ共有と比較を円滑に行えるようにすること。
• 現在のシミュレーション要件を満たしつつ、将来の要件にも対応できる柔軟性と拡張性を持つデータモデルを提供すること。
• レガシーソフトウェアをサポートするための Fortran インターフェースを含め、後方互換性を確保し、広範な採用を促進すること。
• シミュレーションパイプライン全体におけるデータ I/O を標準化することで、統一されたソフトウェアフレームワークの基盤を構築すること。

提案手法

• 物理データを表現するためのコアエンティティ（Event、MCParticle、TrackerHit、CalorimeterHit、Track、Cluster、ReconstructedParticle）とその関係性を定義し、共通のデータモデルを構築する。
• AID ツールを用いて単一の仕様から Java と C++ のインターフェースを自動生成し、言語間での API 一貫性を保証する。
• C++ コアに C++ ラッパー関数を実装し、cfortran.h と 64 ビット整数ポインタを用いて C++ API を Fortran から利用可能にする。
• SIO（Serial Input Output）を初期のファイル形式として採用し、XDR を基盤とするポータビリティ、オンザフライでの zlib 圧縮、順方向形式におけるオブジェクト参照のサポートを活用する。
• 抽象的インターフェースと具象的実装を分離する抽象的オブジェクト永続化レイヤーを導入し、将来的なフォーマット移行をコード変更なしに可能にする。
• フレームワークを 3 つのユースケースに対応するように設計する：データの書き込み（シミュレーション）、データの読み取りと拡張（再構築）、読み取り専用アクセス（解析）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、多様なプログラミング言語を用いる線形衝突機 R&D のシミュレーションおよび再構築ソフトウェアを統合する、共通で拡張可能なデータ永続化フレームワークを設計できるか？
• RQ2 パフォーマンスとポータビリティを維持しつつ、一貫性のある複数言語向け API（Java、C++、Fortran）を実現する技術的アプローチは何か？
• RQ3 完全な移行を要しないまま、レガシーな Fortran 基盤の再構築ソフトウェアを、現代的なオブジェクト指向 I/O フレームワークに統合する方法は何か？
• RQ4 大規模な線形衝突機シミュレーションデータに適した、十分なパフォーマンス、ポータビリティ、拡張性を備えたファイル形式は何か？
• RQ5 統一されたデータモデルは、異なる検出器シミュレーションおよび再構築ワークフローにおける進化する物理学的要件をどの程度まで満たせるか？

主な発見

• LCIO は、Java、C++、Fortran の間で同期されたクロス言語 API を提供し、主要なシミュレーションおよび再構築フレームワーク間での相互運用性を実現した。
• AID ツールの使用により、Java と C++ 間での API 一貫性が保証され、最小限の保守負荷で実現可能であり、将来的な言語拡張も可能である。
• cfortran.h を用いた C++ ラッパー関数を介して実装された Fortran インターフェースにより、Brahms のようなレガシーなコードベースも大規模な再設計なしに LCIO を利用可能となった。
• SIO は、機械非依存性、オンザフライでの圧縮、順方向形式におけるオブジェクト参照のサポートといった利点から、初期のファイル形式として採用された。
• 抽象的インターフェースレイヤーにより、アプリケーションロジックとデータストレージが分離され、将来的なフォーマット移行がユーザーコードの変更なしに可能となった。
• フレームワークは米国の hep.lcd およびヨーロッパの Mokka/Brahms フレームワークの両方で採用され、国際共同研究における実際の利用事例としてその設計の妥当性が裏付けられた。