[論文レビュー] The Need for an R&D and Upgrade Program for CMS Software and Computing

P. Elmer, S. Rappoccio+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ムーアの法則の終焉に対応し、スケーラビリティを確保するため、CMSのソフトウェアおよびコンピューティングに特化した研究開発およびアップグレードプログラムを提唱する。データ量の増加と電力制約に直面する中で、パラレル処理の強化と専用ハードウェアの活用により、性能向上を維持する。段階的で寄生的かつ多様化したコンピューティングの展開を提唱し、HL-LHC時代における継続的な科学的発見を可能にする。

ABSTRACT

Over the next ten years, the physics reach of the Large Hadron Collider (LHC) at the European Organization for Nuclear Research (CERN) will be greatly extended through increases in the instantaneous luminosity of the accelerator and large increases in the amount of collected data. Due to changes in the way Moore's Law computing performance gains have been realized in the past decade, an aggressive program of R&D is needed to ensure that the computing capability of CMS will be up to the task of collecting and analyzing this data.

研究の動機と目的

• 現代のプロセッサにおける電力制約により、単位コストあたりの性能向上が著しく低下する影響に対処する。
• ハイ・リタリティ・LHC（HL-LHC）時代に予想されるLHCデータ量の10倍増加に対応できるよう、CMSのコンピューティングインfra構造をスケーラブルに保証する。
• 逐次処理性能の向上が停滞する中でも、コスト効率が良く、高性能なデータ処理と分析を維持する。
• 検出器および加速器のアップグレードと並行してソフトウェアおよびコンピューティングシステムを近代化することで、高エネルギー物理学分野における継続的な科学的発見を可能にする。
• 新規のプログラミングモデル、アルゴリズム、ハードウェアに配慮したコンピューティング戦略を開発・導入し、新興のマルチコアおよびアクセセルレータアーキテクチャを活用する。

提案手法

• データ取得を妨げないよう、新しいトリガーおよび再構成ソフトウェアのテストに寄生システムを用いた段階的展開戦略を実装する。
• 長期休止期間（例：LS1.5）を活用し、ハイ・レベル・トリガー（HLT）やプレミップト再構成といった重要なシステムを完全に置き換える。
• ARMプロセッサやアクセセルレータ（GPU、MIC）を含む混合構成の異種コンピューティングファームを検討し、段階的なアップグレードを可能にする。
• 中間データ（例：トラック、頂点）を抽出・統合する「レベル1.5」の事前処理システムを設計・導入し、HLTの処理負荷を軽減する。
• 多様なハードウェア環境において後方互換性とパフォーマンスのポータビリティを維持するため、ポータブルでスケーラブルなソフトウェアスタックを開発する。
• 過去の実験（例：CDF）での経験を活用し、生産環境への新技術の安全で低リスクな展開を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電力制約によりムーアの法則の終焉が訪れた現在、どのようにして逐次プロセッサの世代変更による透明なパフォーマンススケーリングを維持できるか？
• RQ2 LHCデータ取得中にダウンタイムやリスクを最小限に抑えるために、新規ハードウェアおよびソフトウェアを効果的に展開する戦略は何か？
• RQ3 新しいトリガーおよび再構成システムの寄生的展開は、完全な移行までの信頼性とパフォーマンスをどの程度保証できるか？
• RQ4 アクセセルレータや多様なプロセッサを備えた異種コンピューティングファームを、CMSのコンピューティングワークロード全体で効率的に管理・活用するにはどうすればよいか？
• RQ5 現代のマルチコアおよびアクセセルレータベースアーキテクチャでスケーラブルなパフォーマンスを達成するには、どのような新しいプログラミングモデルとアルゴリズム的手法が必要か？

主な発見

• 電力および熱的制約のため、次世代プロセッサの世代変更による逐次処理の透明なパフォーマンススケーリング時代は終了した。
• 将来的な顕著なパフォーマンス向上は、大規模な並列処理と専用浮動小数点ユニットの活用という根本的な転換を伴う必要がある。
• 新しいシステムの寄生的展開により、短時間の停止期間中に安全で低リスクなアップグレードテストが可能となり、その結果をデータストリームに再統合して検証できる。
• アクセセルレータや多様なプロセッサを含む段階的かつ異種のコンピューティングファームは、初期投資と複雑さを最小限に抑えつつ段階的アップグレードを可能にする。
• 新規ハードウェアおよびソフトウェアモデルへの移行には、互換性、パフォーマンス、コスト効率を確保するための継続的で専用の研究開発プログラムが必要となる。
• このような研究開発およびアップグレードプログラムがなければ、コンピューティングコストは急激に上昇し、CMS実験および広くHEPコミュニティの科学的目標が損なわれる。