[論文レビュー] The JETSCAPE framework

J. Putschke, K. Kauder+43 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2019

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 124被引用数 17

ひとこと要約

JETSCAPEフレームワークは、タスクベースのアーキテクチャを通じて、流体力学、パートンエネルギー損失、ハドロン化モデルを統合する、モジュラーで拡張可能なC++イベントジェネレータである。$p$-$p$および$A$-$A$衝突の完全なイベントごとのシミュレーションを可能にし、妥当性が確認された性能を達成しており、$pp$シミュレーションでは1イベントあたり約0.15秒、GPU最適化により最大6倍の高速化が見込まれる。

ABSTRACT

The JETSCAPE simulation framework is an overarching computational envelope for developing complete event generators for heavy-ion collisions. It allows for modular incorporation of a wide variety of existing and future software that simulates different aspects of a heavy-ion collision. The default JETSCAPE package contains both the framework, and an entire set of indigenous and third party routines that can be used to directly compare with experimental data. In this article, we outline the algorithmic design of the JETSCAPE framework, define the interfaces and describe the default modules required to carry out full simulations of heavy-ion collisions within this package. We begin with a description of the various physics elements required to simulate an entire event in a heavy-ion collision, and distribute these within a flowchart representing the event generator and statistical routines for comparison with data. This is followed by a description of the abstract class structure, with associated members and functions required for this flowchart to work. We then define the interface that will be required for external users of JETSCAPE to incorporate their code within this framework and to modify existing elements within the default distribution. We conclude with a discussion of some of the physics output for both $p$-$p$ and $A$-$A$ collisions from the default distribution, and an outlook towards future releases. In the appendix, we discuss various architectures on which this code can be run and outline our benchmarks on similar hardware.

研究の動機と目的

• 完全なイベントごとの重イオン衝突シミュレーションのためのモジュラーで拡張可能なフレームワークを開発すること。
• 初期状態、流体力学、エネルギー損失、ハドロン化といった多様な物理モデルを、1つの計算環境に統合できるようにすること。
• LHCなどの加速器から得られる高統計的でイベントごとの実験データと直接比較できるようにすること。
• 外部開発者が新しい物理モジュールを統合できる標準化されたオープンソースインターフェースを提供すること。
• パフォーマンスのベンチマークを実施し、高スルーレートシミュレーションのためのGPUアクセラレーションの可能性を調査すること。

提案手法

• 物理モジュール用の抽象基底クラスをC++のクラス継承によって定義し、モジュラーなコード再利用と拡張性を実現する。
• タスクベースの実行モデルによりモジュールの実行順序を管理し、JetScapeTaskおよびJetScapeSignalManagerを介してモジュール間通信を実現する。
• 物理モジュールは中央マネージャーを介して接続され、初期化、実行、コンポーネント間のデータフローの調整が行われる。
• 入力パラメータはXMLベースの構成システムで設定され、出力はASCII、HepMC、または圧縮形式で出力される。
• ログ記録、XMLパース、ミューテックスを用いたスレッドセーフティのためのシングルトンマネージャーがフレームワークに統合され、並列実行をサポートする。
• ベンチマークは一般ハードウェアおよびクラスタ上で実施され、$pp$および$AA$イベントにおけるCPUおよびメモリ使用量の分析が含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な物理モデルを統合できるモジュラーで拡張可能なフレームワークは、どのように設計できるか？
• RQ2 $pp$および$AA$衝突の効率的で完全なイベントごとのシミュレーションを実現するためのソフトウェアアーキテクチャは何か？
• RQ3 MUSIC流体力学やLBTエネルギー損失モデルなどのサードパーティ物理コードは、いかに統合できるか？
• RQ4 標準的なハードウェア上でのフレームワークのパフォーマンス特性は何か？また、GPUアクセラレーションによりどの程度の性能向上が見込めるか？
• RQ5 外部開発者が新しい物理モデルや解析ツールを追加するには、フレームワークはどのように拡張可能か？

主な発見

• $pp$衝突（2.76 TeV）において、単一のCPUノードで1イベントあたり約0.15秒の実行時間、メモリ使用量は150 MBを記録した。
• $pp$シミュレーションにおいて、エネルギー損失モジュール「Matter」が最も処理時間が長く、1,000イベントで125秒（1イベントあたり0.125秒）を要した。
• $AA$衝突において2+1次元MUSIC流体力学を用いた場合、流体モジュールは1イベントあたり112秒を要し、メモリ使用量は341 MBであった。
• $AA$シミュレーションにおけるフリーストリーミングモジュールは1イベントあたり1秒を要し、メモリ使用量は71 MBであった。
• 最近のベンチマークに基づくと、3+1次元流体力学においてGPUアクセラレーションによりCPUマルチコアと比較して最大6倍の高速化が見込まれる。
• 継承を介したモジュラー拡張が可能であり、新しい物理モジュールの構成およびプラグイン用に標準化されたXMLインターフェースを提供している。