Coprocessor integration for real-time event processing in particle physics detectors

Els experiments de física d’altes energies actuals disposen d’acceleradors amb més energía, sensors més precisos i formes més flexibles de recopilar les dades. Aquesta ràpida evolució requereix de més capacitat de càlcul; els processadors massivament paral·lels, com ara les targes acceleradores gràfiques, ens posen a l’abast aquesta major capacitat de càlcul a un cost sensiblement inferior a les CPUs tradicionals. L’ús d’aquest tipus de processadors requereix, però, de nous algoritmes i nous enfocaments de l’organització de les dades que són difícils d’integrar en els programaris actuals. En aquest treball s’exploren els problemes derivats de l’ús d’algoritmes paral·lels en els entorns de programari existents, orientats a CPUs, i es proposa una solució, en forma de servei, que comunica amb els diversos pipelines que processen els esdeveniments procedents de les col·lisions de partícules, recull les dades en lots i els envia als algoritmes corrent sobre els processadors massivament paral·lels. Aquest servei s’integra en Gaudí - l’entorn de software de dos dels quatre experiments principals del Gran Col·lisionador d’Hadrons. S’examina el sobrecost que el servei afegeix als algoritmes paral·lels. S’estudia un cas d´ùs del servei per fer una reconstrucció paral·lela de les traces detectades en el VELO Pixel, el subdetector encarregat de la detecció de vèrtex en l’upgrade de LHCb. Per aquest cas, s’observen les característiques del rendiment en funció de la mida dels lots de dades. Finalment, les conclusions en posen en el context dels requeriments del sistema de trigger de LHCb.La física de altas energías dispone actualmente de aceleradores con energías mayores, sensores más precisos y métodos de recopilación de datos más flexibles que nunca. Su rápido progreso necesita aún más potencia de cálculo; el hardware masivamente paralelo, como las unidades de procesamiento gráfico, nos brinda esta potencia a un coste mucho más bajo que las CPUs tradicionales. Sin embargo, para usar eficientemente este hardware necesitamos algoritmos nuevos y nuevos enfoques de organización de datos difíciles de integrarse con el software existente. En este trabajo, se investiga cómo se pueden usar estos algoritmos paralelos en las infraestructuras de software ya existentes y que están orientadas a CPUs. Se propone una solución en forma de un servicio que comunica con los diversos pipelines que procesan los eventos de las correspondientes colisiones de particulas, reúne los datos en lotes y se los entrega a los algoritmos paralelos acelerados por hardware. Este servicio se integra con Gaudí — la infraestructura del entorno de software que usan dos de los cuatro gran experimentos del Gran Colisionador de Hadrones. Se examinan los costes añadidos por el servicio en los algoritmos paralelos. Se estudia un caso de uso del servicio para ejecutar un algoritmo paralelo para el VELO Pixel (el subdetector encargado de la localización de vértices en el upgrade del experimento LHCb) y se estudian las características de rendimiento de los distintos tamaños de lotes de datos. Finalmente, las conclusiones se contextualizan dentro la perspectiva de los requerimientos para el sistema de trigger de LHCb.High-energy physics experiments today have higher energies, more accurate sensors, and more flexible means of data collection than ever before. Their rapid progress requires ever more computational power; and massively parallel hardware, such as graphics cards, holds the promise to provide this power at a much lower cost than traditional CPUs. Yet, using this hardware requires new algorithms and new approaches to organizing data that can be difficult to integrate with existing software. In this work, I explore the problem of using parallel algorithms within existing CPU-orientated frameworks and propose a compromise between the different trade-offs. The solution is a service that communicates with multiple event-processing pipelines, gathers data into batches, and submits them to hardware-accelerated parallel algorithms. I integrate this service with Gaudi — a framework underlying the software environments of two of the four major experiments at the Large Hadron Collider. I examine the overhead the service adds to parallel algorithms. I perform a case study of using the service to run a parallel track reconstruction algorithm for the LHCb experiment's prospective VELO Pixel subdetector and look at the performance characteristics of using different data batch sizes. Finally, I put the findings into perspective within the context of the LHCb trigger's requirements

Uso de arquitecturas MIC para la aceleración de soluciones numéricas en electromagnetismo

La mejora en la eficiencia de recursos computacionales para la resolución de problemas electromagnéticos es un tema complejo y de gran interés. La aparición en la última década de GPUs y tarjetas coprocesadoras Xeon Phi en las listas de los supercomputadores con mayor rendimiento, ha llevado a los investigadores a tratar de sacar el máximo provecho de estas nuevas tecnologías. El objetivo principal de esta Tesis es mejorar la eficiencia del método MoM (Method of Moments) mediante la paralelización de algunos de sus algoritmos en procesadores con arquitectura Intel MIC (Many Integrated Core). Para ello, se realiza el modelado de un problema electromagnético mediante la metodología SIE-MoM (Surface Integral Equation-Method of Moments), y se desarrollan nuevos algoritmos para su ejecución en tarjetas coprocesadoras Intel Xeon Phi. Los resultados obtenidos tras evaluar los tiempos de computación comparativamente entre las tarjetas Intel Xeon Phi y las CPUs Intel Xeon, indican que la arquitectura Intel MIC podría resultar adecuada en simulaciones electromagnéticas como complemento a CPUs.Improving the efficiency of computational resources for solving electromagnetic problems is a complex subject of great interest. The growth of GPUs (Graphics Processing Unit) and Xeon Phi coprocessor boards on the lists of top-performing supercomputers over the past decade has led researchers to try to make the most of these new technologies. The main objective of this Thesis is to improve the efficiency of the MoM method by parallelizing some of its algorithms on processors with Intel MIC (Many Integrated Core) architecture. For this purpose, the modeling of an electromagnetic problem is carried out using the SIE-MoM (Surface Integral Equation-Method of Moments) methodology, and new algorithms are developed for their execution on Intel Xeon Phi coprocessor cards. The results obtained after evaluating computation time compared between Intel Xeon Phi cards and Intel Xeon CPUs, indicate that the Intel MIC architecture could be suitable in electromagnetic simulations as a complement to CPUs

Extended particle-in-cell schemes for physics in ultrastrong laser fields: Review and developments.

We review common extensions of particle-in-cell (PIC) schemes which account for strong field phenomena in laser-plasma interactions. After describing the physical processes of interest and their numerical implementation, we provide solutions for several associated methodological and algorithmic problems. We propose a modified event generator that precisely models the entire spectrum of incoherent particle emission without any low-energy cutoff, and which imposes close to the weakest possible demands on the numerical time step. Based on this, we also develop an adaptive event generator that subdivides the time step for locally resolving QED events, allowing for efficient simulation of cascades. Further, we present a unified technical interface for including the processes of interest in different PIC implementations. Two PIC codes which support this interface, PICADOR and ELMIS, are also briefly reviewed

CompF2: Theoretical Calculations and Simulation Topical Group Report

This report summarizes the work of the Computational Frontier topical group on theoretical calculations and simulation for Snowmass 2021. We discuss the challenges, potential solutions, and needs facing six diverse but related topical areas that span the subject of theoretical calculations and simulation in high energy physics (HEP): cosmic calculations, particle accelerator modeling, detector simulation, event generators, perturbative calculations, and lattice QCD (quantum chromodynamics). The challenges arise from the next generations of HEP experiments, which will include more complex instruments, provide larger data volumes, and perform more precise measurements. Calculations and simulations will need to keep up with these increased requirements. The other aspect of the challenge is the evolution of computing landscape away from general-purpose computing on CPUs and toward special-purpose accelerators and coprocessors such as GPUs and FPGAs. These newer devices can provide substantial improvements for certain categories of algorithms, at the expense of more specialized programming and memory and data access patterns.Comment: Report of the Computational Frontier Topical Group on Theoretical Calculations and Simulation for Snowmass 202

Optimization of high-throughput real-time processes in physics reconstruction

La presente tesis se ha desarrollado en colaboración entre la Universidad de Sevilla y la Organización Europea para la Investigación Nuclear, CERN. El detector LHCb es uno de los cuatro grandes detectores situados en el Gran Colisionador de Hadrones, LHC. En LHCb, se colisionan partículas a altas energías para comprender la diferencia existente entre la materia y la antimateria. Debido a la cantidad ingente de datos generada por el detector, es necesario realizar un filtrado de datos en tiempo real, fundamentado en los conocimientos actuales recogidos en el Modelo Estándar de física de partículas. El filtrado, también conocido como High Level Trigger, deberá procesar un throughput de 40 Tb/s de datos, y realizar un filtrado de aproximadamente 1 000:1, reduciendo el throughput a unos 40 Gb/s de salida, que se almacenan para posterior análisis. El proceso del High Level Trigger se subdivide a su vez en dos etapas: High Level Trigger 1 (HLT1) y High Level Trigger 2 (HLT2). El HLT1 transcurre en tiempo real, y realiza una reducción de datos de aproximadamente 30:1. El HLT1 consiste en una serie de procesos software que reconstruyen lo que ha sucedido en la colisión de partículas. En la reconstrucción del HLT1 únicamente se analizan las trayectorias de las partículas producidas fruto de la colisión, en un problema conocido como reconstrucción de trazas, para dictaminar el interés de las colisiones. Por contra, el proceso HLT2 es más fino, requiriendo más tiempo en realizarse y reconstruyendo todos los subdetectores que componen LHCb. Hacia 2020, el detector LHCb, así como todos los componentes del sistema de adquisici´on de datos, serán actualizados acorde a los últimos desarrollos técnicos. Como parte del sistema de adquisición de datos, los servidores que procesan HLT1 y HLT2 también sufrirán una actualización. Al mismo tiempo, el acelerador LHC será también actualizado, de manera que la cantidad de datos generada en cada cruce de grupo de partículas aumentare en aproxidamente 5 veces la actual. Debido a las actualizaciones tanto del acelerador como del detector, se prevé que la cantidad de datos que deberá procesar el HLT en su totalidad sea unas 40 veces mayor a la actual. La previsión de la escalabilidad del software actual a 2020 subestim´ó los recursos necesarios para hacer frente al incremento en throughput. Esto produjo que se pusiera en marcha un estudio de todos los algoritmos tanto del HLT1 como del HLT2, así como una actualización del código a nuevos estándares, para mejorar su rendimiento y ser capaz de procesar la cantidad de datos esperada. En esta tesis, se exploran varios algoritmos de la reconstrucción de LHCb. El problema de reconstrucción de trazas se analiza en profundidad y se proponen nuevos algoritmos para su resolución. Ya que los problemas analizados exhiben un paralelismo masivo, estos algoritmos se implementan en lenguajes especializados para tarjetas gráficas modernas (GPUs), dada su arquitectura inherentemente paralela. En este trabajo se dise ˜nan dos algoritmos de reconstrucción de trazas. Además, se diseñan adicionalmente cuatro algoritmos de decodificación y un algoritmo de clustering, problemas también encontrados en el HLT1. Por otra parte, se diseña un algoritmo para el filtrado de Kalman, que puede ser utilizado en ambas etapas. Los algoritmos desarrollados cumplen con los requisitos esperados por la colaboración LHCb para el año 2020. Para poder ejecutar los algoritmos eficientemente en tarjetas gráficas, se desarrolla un framework especializado para GPUs, que permite la ejecución paralela de secuencias de reconstrucción en GPUs. Combinando los algoritmos desarrollados con el framework, se completa una secuencia de ejecución que asienta las bases para un HLT1 ejecutable en GPU. Durante la investigación llevada a cabo en esta tesis, y gracias a los desarrollos arriba mencionados y a la colaboración de un pequeño equipo de personas coordinado por el autor, se completa un HLT1 ejecutable en GPUs. El rendimiento obtenido en GPUs, producto de esta tesis, permite hacer frente al reto de ejecutar una secuencia de reconstrucción en tiempo real, bajo las condiciones actualizadas de LHCb previstas para 2020. As´ı mismo, se completa por primera vez para cualquier experimento del LHC un High Level Trigger que se ejecuta únicamente en GPUs. Finalmente, se detallan varias posibles configuraciones para incluir tarjetas gr´aficas en el sistema de adquisición de datos de LHCb.The current thesis has been developed in collaboration between Universidad de Sevilla and the European Organization for Nuclear Research, CERN. The LHCb detector is one of four big detectors placed alongside the Large Hadron Collider, LHC. In LHCb, particles are collided at high energies in order to understand the difference between matter and antimatter. Due to the massive quantity of data generated by the detector, it is necessary to filter data in real-time. The filtering, also known as High Level Trigger, processes a throughput of 40 Tb/s of data and performs a selection of approximately 1 000:1. The throughput is thus reduced to roughly 40 Gb/s of data output, which is then stored for posterior analysis. The High Level Trigger process is subdivided into two stages: High Level Trigger 1 (HLT1) and High Level Trigger 2 (HLT2). HLT1 occurs in real-time, and yields a reduction of data of approximately 30:1. HLT1 consists in a series of software processes that reconstruct particle collisions. The HLT1 reconstruction only analyzes the trajectories of particles produced at the collision, solving a problem known as track reconstruction, that determines whether the collision data is kept or discarded. In contrast, HLT2 is a finer process, which requires more time to execute and reconstructs all subdetectors composing LHCb. Towards 2020, the LHCb detector and all the components composing the data acquisition system will be upgraded. As part of the data acquisition system, the servers that process HLT1 and HLT2 will also be upgraded. In addition, the LHC accelerator will also be updated, increasing the data generated in every bunch crossing by roughly 5 times. Due to the accelerator and detector upgrades, the amount of data that the HLT will require to process is expected to increase by 40 times. The foreseen scalability of the software through 2020 underestimated the required resources to face the increase in data throughput. As a consequence, studies of all algorithms composing HLT1 and HLT2 and code modernizations were carried out, in order to obtain a better performance and increase the processing capability of the foreseen hardware resources in the upgrade. In this thesis, several algorithms of the LHCb recontruction are explored. The track reconstruction problem is analyzed in depth, and new algorithms are proposed. Since the analyzed problems are massively parallel, these algorithms are implemented in specialized languages for modern graphics cards (GPUs), due to their inherently parallel architecture. From this work stem two algorithm designs. Furthermore, four additional decoding algorithms and a clustering algorithms have been designed and implemented, which are also part of HLT1. Apart from that, an parallel Kalman filter algorithm has been designed and implemented, which can be used in both HLT stages. The developed algorithms satisfy the requirements of the LHCb collaboration for the LHCb upgrade. In order to execute the algorithms efficiently on GPUs, a software framework specialized for GPUs is developed, which allows executing GPU reconstruction sequences in parallel. Combining the developed algorithms with the framework, an execution sequence is completed as the foundations of a GPU HLT1. During the research carried out in this thesis, the aforementioned developments and a small group of collaborators coordinated by the author lead to the completion of a full GPU HLT1 sequence. The performance obtained on GPUs allows executing a reconstruction sequence in real-time, under LHCb upgrade conditions. The developed GPU HLT1 constitutes the first GPU high level trigger ever developed for an LHC experiment. Finally, various possible realizations of the GPU HLT1 to integrate in a production GPU-equipped data acquisition system are detailed

Dense and sparse parallel linear algebra algorithms on graphics processing units

Una línea de desarrollo seguida en el campo de la supercomputación es el uso de procesadores de propósito específico para acelerar determinados tipos de cálculo. En esta tesis estudiamos el uso de tarjetas gráficas como aceleradores de la computación y lo aplicamos al ámbito del álgebra lineal. En particular trabajamos con la biblioteca SLEPc para resolver problemas de cálculo de autovalores en matrices de gran dimensión, y para aplicar funciones de matrices en los cálculos de aplicaciones científicas. SLEPc es una biblioteca paralela que se basa en el estándar MPI y está desarrollada con la premisa de ser escalable, esto es, de permitir resolver problemas más grandes al aumentar las unidades de procesado. El problema lineal de autovalores, Ax = lambda x en su forma estándar, lo abordamos con el uso de técnicas iterativas, en concreto con métodos de Krylov, con los que calculamos una pequeña porción del espectro de autovalores. Este tipo de algoritmos se basa en generar un subespacio de tamaño reducido (m) en el que proyectar el problema de gran dimensión (n), siendo m << n. Una vez se ha proyectado el problema, se resuelve este mediante métodos directos, que nos proporcionan aproximaciones a los autovalores del problema inicial que queríamos resolver. Las operaciones que se utilizan en la expansión del subespacio varían en función de si los autovalores deseados están en el exterior o en el interior del espectro. En caso de buscar autovalores en el exterior del espectro, la expansión se hace mediante multiplicaciones matriz-vector. Esta operación la realizamos en la GPU, bien mediante el uso de bibliotecas o mediante la creación de funciones que aprovechan la estructura de la matriz. En caso de autovalores en el interior del espectro, la expansión requiere resolver sistemas de ecuaciones lineales. En esta tesis implementamos varios algoritmos para la resolución de sistemas de ecuaciones lineales para el caso específico de matrices con estructura tridiagonal a bloques, que se ejecutan en GPU. En el cálculo de las funciones de matrices hemos de diferenciar entre la aplicación directa de una función sobre una matriz, f(A), y la aplicación de la acción de una función de matriz sobre un vector, f(A)b. El primer caso implica un cálculo denso que limita el tamaño del problema. El segundo permite trabajar con matrices dispersas grandes, y para resolverlo también hacemos uso de métodos de Krylov. La expansión del subespacio se hace mediante multiplicaciones matriz-vector, y hacemos uso de GPUs de la misma forma que al resolver autovalores. En este caso el problema proyectado comienza siendo de tamaño m, pero se incrementa en m en cada reinicio del método. La resolución del problema proyectado se hace aplicando una función de matriz de forma directa. Nosotros hemos implementado varios algoritmos para calcular las funciones de matrices raíz cuadrada y exponencial, en las que el uso de GPUs permite acelerar el cálculo.One line of development followed in the field of supercomputing is the use of specific purpose processors to speed up certain types of computations. In this thesis we study the use of graphics processing units as computer accelerators and apply it to the field of linear algebra. In particular, we work with the SLEPc library to solve large scale eigenvalue problems, and to apply matrix functions in scientific applications. SLEPc is a parallel library based on the MPI standard and is developed with the premise of being scalable, i.e. to allow solving larger problems by increasing the processing units. We address the linear eigenvalue problem, Ax = lambda x in its standard form, using iterative techniques, in particular with Krylov's methods, with which we calculate a small portion of the eigenvalue spectrum. This type of algorithms is based on generating a subspace of reduced size (m) in which to project the large dimension problem (n), being m << n. Once the problem has been projected, it is solved by direct methods, which provide us with approximations of the eigenvalues of the initial problem we wanted to solve. The operations used in the expansion of the subspace vary depending on whether the desired eigenvalues are from the exterior or from the interior of the spectrum. In the case of searching for exterior eigenvalues, the expansion is done by matrix-vector multiplications. We do this on the GPU, either by using libraries or by creating functions that take advantage of the structure of the matrix. In the case of eigenvalues from the interior of the spectrum, the expansion requires solving linear systems of equations. In this thesis we implemented several algorithms to solve linear systems of equations for the specific case of matrices with a block-tridiagonal structure, that are run on GPU. In the computation of matrix functions we have to distinguish between the direct application of a matrix function, f(A), and the action of a matrix function on a vector, f(A)b. The first case involves a dense computation that limits the size of the problem. The second allows us to work with large sparse matrices, and to solve it we also make use of Krylov's methods. The expansion of subspace is done by matrix-vector multiplication, and we use GPUs in the same way as when solving eigenvalues. In this case the projected problem starts being of size m, but it is increased by m on each restart of the method. The solution of the projected problem is done by directly applying a matrix function. We have implemented several algorithms to compute the square root and the exponential matrix functions, in which the use of GPUs allows us to speed up the computation.Una línia de desenvolupament seguida en el camp de la supercomputació és l'ús de processadors de propòsit específic per a accelerar determinats tipus de càlcul. En aquesta tesi estudiem l'ús de targetes gràfiques com a acceleradors de la computació i ho apliquem a l'àmbit de l'àlgebra lineal. En particular treballem amb la biblioteca SLEPc per a resoldre problemes de càlcul d'autovalors en matrius de gran dimensió, i per a aplicar funcions de matrius en els càlculs d'aplicacions científiques. SLEPc és una biblioteca paral·lela que es basa en l'estàndard MPI i està desenvolupada amb la premissa de ser escalable, açò és, de permetre resoldre problemes més grans en augmentar les unitats de processament. El problema lineal d'autovalors, Ax = lambda x en la seua forma estàndard, ho abordem amb l'ús de tècniques iteratives, en concret amb mètodes de Krylov, amb els quals calculem una xicoteta porció de l'espectre d'autovalors. Aquest tipus d'algorismes es basa a generar un subespai de grandària reduïda (m) en el qual projectar el problema de gran dimensió (n), sent m << n. Una vegada s'ha projectat el problema, es resol aquest mitjançant mètodes directes, que ens proporcionen aproximacions als autovalors del problema inicial que volíem resoldre. Les operacions que s'utilitzen en l'expansió del subespai varien en funció de si els autovalors desitjats estan en l'exterior o a l'interior de l'espectre. En cas de cercar autovalors en l'exterior de l'espectre, l'expansió es fa mitjançant multiplicacions matriu-vector. Aquesta operació la realitzem en la GPU, bé mitjançant l'ús de biblioteques o mitjançant la creació de funcions que aprofiten l'estructura de la matriu. En cas d'autovalors a l'interior de l'espectre, l'expansió requereix resoldre sistemes d'equacions lineals. En aquesta tesi implementem diversos algorismes per a la resolució de sistemes d'equacions lineals per al cas específic de matrius amb estructura tridiagonal a blocs, que s'executen en GPU. En el càlcul de les funcions de matrius hem de diferenciar entre l'aplicació directa d'una funció sobre una matriu, f(A), i l'aplicació de l'acció d'una funció de matriu sobre un vector, f(A)b. El primer cas implica un càlcul dens que limita la grandària del problema. El segon permet treballar amb matrius disperses grans, i per a resoldre-ho també fem ús de mètodes de Krylov. L'expansió del subespai es fa mitjançant multiplicacions matriu-vector, i fem ús de GPUs de la mateixa forma que en resoldre autovalors. En aquest cas el problema projectat comença sent de grandària m, però s'incrementa en m en cada reinici del mètode. La resolució del problema projectat es fa aplicant una funció de matriu de forma directa. Nosaltres hem implementat diversos algorismes per a calcular les funcions de matrius arrel quadrada i exponencial, en les quals l'ús de GPUs permet accelerar el càlcul.Lamas Daviña, A. (2018). Dense and sparse parallel linear algebra algorithms on graphics processing units [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/112425TESI

Computational Modelling of the Plasma in the Charge Exchange Thruster

The Charge Exchange Thruster (CXT) is a novel plasma thruster that produces thrust via energetic neutrals leaving the device. This is done by accelerating ions with an electrostatic potential inside of a so-called hollow cathode device: some of these ions then undergo charge exchange and leave the thruster as energetic neutrals whilst others contribute to the formation of an electrical discharge inside the thruster. In this thesis a new 2D-3V particle-in-cell-Monte Carlo (PIC-MCC) simulation code is developed and tested with the purpose of modelling the plasma inside the CXT. This code includes multiple chemical processes involving hydrogen ions, atoms, and molecular species, an external circuit simulation, probabilistic reflections from boundaries, and the generation of secondary electrons, all of which are found to be vital in the plasma initiation and development. The new PIC-MCC code is benchmarked successfully against the theoretical plasma sheath width as well as experimental Paschen curves for a parallel plate discharge, being found to reproduce these results well. Similarly, by modelling hollow cathode discharge systems it is found that the code can reproduce two effects specific to hollow cathode devices, a higher plasma density inside the cathode than outside, as well as beams of energetic neutrals. The code was able to reproduce the experimental results of the original CXT paper reasonably well but suffered from numerical instabilities that prevented the simulation from modelling the discharge in a steady state. It was found that simulating the thruster in a lower pressure discharge mode did not produce as much thrust but was able to reach a steady state and was numerically stable over timescales of tens of microseconds. Future work on investigating the cause of the numerical instabilities at high pressures, as well as a more complex model for the background gas dynamics in the thruster are recommended