[논문 리뷰] First Results with HIJING++ on High-energy Heavy Ion Collisions

Gábor Papp, G. G. Barnaföldi외 7명|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|2018. 05. 07.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 중수소 충돌을 위한 완전히 C++ 기반의 모듈식이고 병렬 처리가 가능한 이벤트 생성기인 HIJING++ 3.1.1을 제시한다. 이는 PYTHIA8을 기반으로 하며 업데이트된 핵 효과를 통합하였다. 스레드 수준의 병렬 처리를 통해 약 24배의 성능 향상을 달성하였고(비병렬화 가능 비율 4.2%), √sNN = 5.02 TeV에서 pp 및 pPb 충돌의 충전 쿼ark 및 핵 수정 인자에 대해 ALICE 데이터와의 일치도가 양호한 편이다. 제트 냉각 모델링 향상 여지가 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 FORTRAN 기반의 HIJING 이벤트 생성기를 현대적인 HEP 소프트웨어(예: AliRoot)와 호환 가능한 이식성 있고 모듈식이며 병렬 처리 가능한 C++ 프레임워크로 현대화하기 위해.
• 최신 PYTHIA8 및 LHAPDF6 라이브러리를 사용하여 $Q^2$-의존성 있는 그림자 효과 및 제트 냉각과 같은 업데이트된 핵 효과를 구현하기 위해.
• 다중 스레딩 병렬 처리를 통해 상당한 계산 성능 향상을 달성하면서도 원래 HIJING 2.552와 유사한 물리적 정확도를 유지하기 위해.
• 향후 대규모 검출기 시뮬레이션 프레임워크에의 통합을 가능하게 하고 GPU 가속 랜덤 수 생성 기능을 지원하기 위해.
• 미래의 충돌기에서 더 나은 현상학적 모델링과 확장성을 갖춘 차세대 시뮬레이션을 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 기존 FORTRAN 기반의 HIJING 2.552 코드를 PYTHIA8의 클래스 구조를 기반으로 한 객체 지향 C++로 재작성하였다.
• 모듈식 클래스를 통해 그림자 효과( $Q^2$ 의존성 포함), Cronin 효과, 제트 냉각, 다중 파arton 상호작용 등의 핵 효과를 통합하였다.
• 이벤트를 CPU 코어에 분배하기 위해 HijQueue 및 HijManager 클래스를 사용한 스레드 기반 병렬 처리를 구현하였다.
• 사용자 정의 분석을 가능하게 하기 위해 히스토그램 수집 모듈을 구성 가능한 HijAnalysis 클래스를 도입하였다.
• 초기 테스트에서 기본 PRNG를 GPU 호환 버전으로 교체하여 성능 최적화를 수행하였다.
• 속도 향상 정도를 정량화하기 위해 Amdahl의 법칙을 적용하였으며, 비병렬화 가능 부분(주로 큐 관리)이 4.2%임을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 FORTRAN 기반 HIJING 코드에서 현대적이고 C++ 기반이며 병렬 처리가 가능한 이벤트 생성기를 개발할 수 있는가? 이는 핵심 물리학을 유지할 수 있는가?
• RQ2 신규 HIJING++는 √sNN = 5.02 TeV에서 pp 및 pPb 충돌의 충전 쿼ark 스펙트럼에 대해 실험 데이터를 어느 정도 재현하는가?
• RQ3 스레드 수준의 병렬 처리가 계산 시간을 줄이는 데 얼마나 효과적인가? 이론적 최대 속도 향상 한계는 무엇인가?
• RQ4 현재의 제트 냉각 모델이 왜 핵 수정 인자 R_{pPb}에서 과도하게 억제를 유도하는가? 이를 어떻게 개선할 수 있는가?
• RQ5 모듈식 C++ 아키텍처는 AliRoot와 같은 대규모 HEP 시뮬레이션 프레임워크에 원활하게 통합될 수 있는가?

주요 결과

• HIJING++ 3.1.1은 20개 스레드 시스템에서 최대 이론적 속도 향상 약 24배를 달성하였으며, Amdahl의 법칙 피팅 결과 비병렬화 가능 부분은 4.2%로 확인되었다.
• √s = 5.02 TeV에서의 pp 충돌에서 충전 쿼ark 수확은 ALICE 데이터의 50% 이내이며, 테이너에 따라 중간 및 고-pT 영역에서 PYTHIA8보다 HIJING++가 더 우수한 성능를 보였다.
• √sNN = 5.02 TeV에서의 pPb 충돌에서 HIJING++ 결과는 양성자 스펙트럼 및 핵 수정 인자에 대해 ALICE 데이터와 30% 이내로 일치하였다.
• 핵 수정 인자 R_{pPb}는 일반적으로 HIJING++에서 억제되어 있어 에너지 손실이 과도하게 추정된 것으로 보이며, 이는 N_bin 스케일링을 N_part에 비해 잘못 처리했기 때문일 가능성이 높다.
• 코드 아키텍처는 GLV 및 GPU 가속 랜덤 수 생성과 같은 고급 제트 냉각 모델의 향후 통합을 지원하며, 초도 테스트에서 약간의 성능 향상이 관찰되었다.
• 모듈식 C++ 아키텍처는 유지보수 용이성, 확장성, 현대 HEP 소프트웨어 스택(예: AliRoot)과의 호환성 향상을 가능하게 하여 코드 부풀림과 교차 연결을 줄였다.