[论文解读] Simulating the weak death of the Neutron in a femtoscale universe with near-exascale computing

Evan Berkowitz, M. A. Clark+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用 9

一句话总结

本论文提出了一种新颖的算法，用于在近艾级超算（Sierra 和 Summit）上使用格点QCD模拟中子衰变，通过GPU感知的自动调优和优化的CPU-GPU任务交错，实现了求解时间的指数级减少。该方法实现了中子寿命的高精度计算，这是关键的核物理可观测量，在低节点数下达到峰值性能的20%，在大规模部署中达到15%。

ABSTRACT

The fundamental particle theory called Quantum Chromodynamics (QCD) dictates everything about protons and neutrons, from their intrinsic properties to interactions that bind them into atomic nuclei. Quantities that cannot be fully resolved through experiment, such as the neutron lifetime (whose precise value is important for the existence of light-atomic elements that make the sun shine and life possible), may be understood through numerical solutions to QCD. We directly solve QCD using Lattice Gauge Theory and calculate nuclear observables such as neutron lifetime. We have developed an improved algorithm that expoentially decreases the time-to-solution and applied it on the new CORAL supercomputers, Sierra and Summit. We use run-time autotuning to distribute GPU resources, achieving 20% performance at low node count. We also developed optimal application mapping through a job manager, which allows CPU and GPU jobs to be interleaved, yielding 15% of peak performance when deployed across large fractions of CORAL.

研究动机与目标

• 使用格点量子色动力学（QCD）高精度计算中子寿命，QCD是强相互作用的基本理论。
• 克服数值求解QCD以计算中子衰变等核物理可观测量的计算不可行性。
• 开发一种新算法，显著减少现代超算上格点QCD模拟的求解时间。
• 通过运行时自动调优和智能任务调度，优化混合CPU-GPU架构（Sierra 和 Summit）上的资源利用率。

提出的方法

• 使用格点规范理论在有限时空网格上离散化QCD，使理论能够被数值求解。
• 开发了一种改进的算法，通过优化计算工作负载和内存访问模式，实现求解时间的指数级减少。
• 应用运行时自动调优，动态分配GPU资源，使低节点数下的性能最大化。
• 通过作业管理器实现CPU和GPU任务的交错，提升大规模CORAL超算部署中的资源利用率。
• 利用近艾级计算基础设施（Sierra 和 Summit），将模拟扩展至高精度。
• 通过动态负载均衡和异构工作负载的硬件感知调度，实现最优应用映射。

实验结果

研究问题

• RQ1 新算法是否能显著减少格点QCD模拟中子衰变的求解时间？
• RQ2 在混合超算上进行格点QCD模拟时，如何高效且自适应地分配GPU资源？
• RQ3 在大规模超算系统中，CPU和GPU工作负载在多大程度上可以交错以提升整体性能？
• RQ4 在Sierra和Summit等近艾级系统上使用运行时自动调优，可实现多大程度的性能提升？
• RQ5 通过优化的格点QCD模拟，是否能在大规模上实现高精度的中子寿命计算？

主要发现

• 改进的算法在格点QCD模拟中子衰变中实现了求解时间的指数级减少。
• 运行时自动调优通过高效分配GPU资源，在低节点数下实现了峰值性能的20%。
• 通过作业管理器实现CPU和GPU任务交错，在大规模CORAL超算部署中实现了峰值性能的15%。
• 该方法实现了QCD的高精度数值求解，直接计算出中子寿命作为关键核物理可观测量。
• 在Sierra和Summit上实现的最优应用映射展示了在大规模硬件部署中的可扩展性能。
• 该方法为利用近艾级计算实现中子寿命等基本核物理量的高精度计算提供了实用路径。