[論文レビュー] Lattice QCD and the Computational Frontier

Peter Boyle, Dennis Bollweg+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、素粒子物理学の新しい物理現象の探索において、特に希少崩壊、異常磁気モーメント、ニュートリノ-核散乱の分野で、格子QCDが精度の高い理論的予測を可能にする重要な役割を果たしていることを概説している。微細な格子にスケーリングする際のアルゴリズム的、ハードウェア的、人的リソース上の課題を特定し、エクサスケールを超える計算を継続的に進めるために、ソフトウェアの移植性、共同での研究機関-大学の教員採用、次世代HPCアーキテクチャへの早期関与を促進する包括的投資を提言している。

ABSTRACT

The search for new physics requires a joint experimental and theoretical effort. Lattice QCD is already an essential tool for obtaining precise model-free theoretical predictions of the hadronic processes underlying many key experimental searches, such as those involving heavy flavor physics, the anomalous magnetic moment of the muon, nucleon-neutrino scattering, and rare, second-order electroweak processes. As experimental measurements become more precise over the next decade, lattice QCD will play an increasing role in providing the needed matching theoretical precision. Achieving the needed precision requires simulations with lattices with substantially increased resolution. As we push to finer lattice spacing we encounter an array of new challenges. They include algorithmic and software-engineering challenges, challenges in computer technology and design, and challenges in maintaining the necessary human resources. In this white paper we describe those challenges and discuss ways they are being dealt with. Overcoming them is key to supporting the community effort required to deliver the needed theoretical support for experiments in the coming decade.

研究の動機と目的

• フラーバー物理学の高精度実験および新しい物理現象探索の解釈に不可欠なハドロン行列要素の理論的精度向上の増大するニーズに対応する。
• より微細な格子間隔とより大きな体積にスケーリングする際の進捗を妨げる、アルゴリズム設計、コンピュータアーキテクチャ、ソフトウェア工学分野の主な課題を特定する。
• 特に産業界からの競争を考慮した場合に、格子QCDにおける計算人材の維持・育成に向けた戦略を提言する。
• 長期的な科学的生産性を保証するため、アルゴリズム的イノベーション、ソフトウェアの移植性、共同研究機関-大学の教員採用を支援する持続的資金支援を主張する。
• 次世代HPCシステムの効果的活用を確保するため、DOEのリーダーシップHPC施設との早期連携と、標準化されたプログラミングモデルの導入を促進する。

提案手法

• 格子QCDにおけるさまざまなフェルミオン形式の計算要求を分析し、演算強度と階層的メモリ帯域幅要件に焦点を当てる。
• エクサスケールを超えるシミュレーションの計算コストを推定し、マークフ・チェーン・モンテカルロ法における臨界遅れの緩和に向けた改善アルゴリズムの必要性を強調する。
• 「一度書けば、どこでも実行可能」な性能ポートフォリオ性を持つ高水準データ並列ソフトウェアスタックを提言し、進化するHPCアーキテクチャ間での移植性を向上させる。
• 研究機関と大学間で5年間の任期付き教員採用を共同で実施する仕組みを提言し、次世代の計算量子場理論専門家を育成する。
• 新しいスーパーコンピュータの設計段階からDOEのHPC施設と早期に協働し、科学的準備状態の整備と効率的なコード移植を実現する。
• 異種HPCシステム間での複雑さを低減し生産性を向上させるために、プログラミングインターフェースとメモリモデルの標準化を提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 格子QCDシミュレーションは、フラーバー物理学およびミューオンの異常磁気モーメントの次世代実験結果を解釈するために、どの程度の精度に達する必要があるのか？
• RQ2 より微細な格子間隔とより大きな物理的体積に効率的にスケーリングするためには、どのようなアルゴリズム的およびソフトウェア的イノベーションが必要か？
• RQ3 産業界やクラウドコンピューティングの競争が激化する中で、格子QCDコミュニティは人材の維持管理にどのように対処すべきか？
• RQ4 共同研究機関-大学の教員採用は、計算場理論専門家を継続的に育成するパイプラインを構築するために、どのような役割を果たすべきか？
• RQ5 DOEは、次世代HPCアーキテクチャの有効活用を確保するため、早期の関与と標準化されたソフトウェア開発をどのように推進すべきか？

主な発見

• 格子QCDは、すでにフェルミラブのミューオンg-2実験や深宇宙ニュートリノ実験（DUNE）を含む、重要な実験的探索において、高精度予測の根幹をなしている。
• より微細な格子間隔でのシミュレーションには、計算リソースの大幅な増加を伴い、アルゴリズム的スケーラビリティ、メモリ帯域幅、演算強度の課題が生じる。
• エクサスケールを超える計算に移行するには、マークフ・チェーン・モンテカルロシミュレーションにおける臨界遅れを緩和するための新規アルゴリズムと、効率的なマルチスケール線形ソルバーの開発が不可欠である。
• 進化するHPCアーキテクチャ間でのコード移植負担を軽減するため、パフォーマンスポートフォリオ性があり高水準なデータ並列ソフトウェアスタックは不可欠である。
• 研究機関と大学間でDOE資金を用いた5年間の任期付き教員採用は、計算量子場理論分野における持続可能な学術的労働力の構築に不可欠である。
• 新しいリーダーシップクラスのシステムの科学的活用を早期に実現するためには、HPC施設開発者との早期連携と、プログラミングインターフェースの標準化が不可欠である。