Accelereret arkitektur i Americas hurtigste supercomputer øger QCD -simuleringer

I jagten på numeriske forudsigelser for eksotiske partikler, forskere simulerer atombyggende kvark- og gluonpartikler over 70 gange hurtigere på topmødet, verdens mest kraftfulde videnskabelige supercomputer, end på forgængeren Titan ved US Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Interaktionerne mellem kvarker og gluoner beregnes ved hjælp af gitterkvantekromodynamik (QCD)-en computervenlig version af den matematiske ramme, der beskriver disse stærke kraftinteraktioner.

Med nye algoritmer og optimeringer til GPU-baserede systemer som Summit, beregningsfysikere Balint Joo fra DOE's Jefferson Lab og Kate Clark fra GPU-udvikleren NVIDIA kombinerer to open source QCD-koder, Chroma og QUDA -biblioteket til GPU'er, på topmødet. Placeret på Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), Summit er en 200-petaflop, IBM AC922-system, der blev lanceret i juni som det øverste system på Top500-listen.

QCD -beregninger kan hjælpe med at afsløre undvigende, kortlivede partikler, der er vanskelige at fange i eksperiment. Fremskridt i QCD -applikationer til denne nye generation af supercomputing vil gavne teamet, ledet af fysikeren Robert Edwards fra Jefferson Lab, i sin søgen efter at opdage egenskaberne af eksotiske partikler.

"Vi får forudsigelser fra QCD, "Joo sagde." Hvor der er teoretiske ubekendte, beregningsmæssige beregninger kan give os energitilstande og partikelforfald at kigge efter i eksperimenter. "

Edwards og Joo arbejder tæt sammen med et partikelacceleratorforsøg ved Jefferson Lab kaldet GlueX, der bygger bro mellem teoretiske forudsigelser fra QCD og eksperimentelle beviser.

"GlueX er et flagskibseksperiment med den nyligt gennemførte opgradering af $ 338 mio. På $ CEBAF Accelerator fra Jefferson Lab. Eksperimentet i den nye hal D i laboratoriet bruger elektronstrålen til at skabe en intens polariseret fotonstråle til at producere partikler, herunder muligvis eksotiske mesoner, "Sagde Edwards." Vores QCD -beregninger informerer og guider disse eksperimentelle søgninger. "

Fuld fart frem

Teamet fik tidlig adgang til Summit for at teste deres kodes ydelse på systemets arkitektur. Summit har omtrent en fjerdedel af antallet af noder på 27-petaflop Titan-supercomputeren. Imidlertid, Summits noder-bestående af to IBM Power9 CPU'er og seks NVIDIA Tesla V100 GPU'er-er usædvanligt hurtige og hukommelsestætte, inklusive 42 teraflops ydelse og 512 gigabyte hukommelse pr. node.

Gennem en kombination af hardware -fremskridt og softwareoptimeringer, holdet øgede kapaciteten på topmødet ni gange i forhold til deres tidligere Titan -simuleringer, mens de komprimerer deres oprindelige problemstørrelse for at bruge otte gange færre GPU'er til en samlet ydeevnehastighed på cirka 72 gange.

I gitter -QCD -simuleringer, rumtid repræsenteres af et gitter, og forskere genererer øjebliksbilleder af feltet med stærk kraft på forbindelserne til dette gitter, kendt som målekonfigurationer. Dette indledende trin kaldes gauge generation. Derefter, i et trin kendt som kvarkpropagatorberegningen, forskere introducerer en ladning i målerfeltet og løser et stort ligningssystem, der repræsenterer, hvordan en kvark ville bevæge sig gennem rum og tid. I et sidste analysetrin, disse kvarkpropagatorer kombineres til indledende og sidste partikeltilstande, hvorfra energispektre kan beregnes og relateres til eksperiment.

For at forberede deres kode til Summit, teamet foretog algoritmiske forbedringer for at øge effektiviteten. Først, de avancerede en adaptiv multigrid-solver i QUDA-biblioteket, der genererer grove og fine gitre baseret på lav- og højenergienergistilstande, henholdsvis. Multigrid -processen involverer en installationsfase, som derefter bruges i løsningstrin.

"Summit GPU'er er meget godt skræddersyet til denne multigrid -algoritme, og vi så speedup -potentiale der, "Sagde Clark.

Tidligere har løsningstrinnene blev optimeret til Titans GPU'er, og multigridopløseren blev brugt til kvarkformeringsfasen af ​​beregninger udført for hver målekonfiguration. Til topmøde, teamet integrerede multigridopløseren i den indledende målegenereringsfase.

"I målergenereringsfasen, målekonfigurationer ændres hurtigt og kræver, at installationsprocessen gentages ofte, "Sagde Joo." Derfor, et afgørende optimeringstrin var at flytte denne installationsfase helt til GPU'erne. "

Teamet så en anden mulighed for at fremskynde målingskonfigurationsgenerering ved at inkorporere andre algoritmiske og softwareforbedringer sammen med multigrid -løsningen.

Først, at reducere mængden af ​​arbejde, der kræves for at skifte fra en målekonfiguration til den næste, teamet implementerede en kraft-gradient integrator, der anvender en molekylær dynamik metode, der tidligere var tilpasset QCD.

"Processen ligner matematisk en simulering af molekyler af en gas, så en molekylær dynamikprocedure genanvendes til at generere hver ny målekonfiguration fra den forrige, "Sagde Joo.

Sekund, der henviser til, at QUDA -biblioteket automatisk kører de nødvendige beregninger til målingskonfigurationsgenerering på GPU'er, den fulde algoritme har mange andre stykker kode, der kan forårsage en flaskehals for ydeevne, hvis ikke også GPU-accelereret. For at undgå denne flaskehals og forbedre ydeevnen, teamet brugte QDP-Just-in-Time (JIT) versionen af ​​QDP ++ softwarelaget, der ligger til grund for Chroma, til at målrette mod alle matematiske udtryk for at køre fuldt ud på GPU'er.

"Forbedringerne i hastigheden fra disse optimeringer gjorde det muligt for os at starte et simuleringsløb, som vi simpelthen ikke kunne overveje at udføre før, "Joo sagde." På Titan, vi har allerede påbegyndt et nyt løb gennem ASCR Leadership Computing Challenge -programmet med kvarker, der har masser, der mere ligner dem i naturen, som er rettet direkte mod vores spektroskopiprogram på Jefferson Lab. "