Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Optimization and validation of Geant4 detector simulation software for the ATLAS experiment at the LHC

Elén, Einar LU (2020) FYSM60 20201
Particle and nuclear physics
Department of Physics
Abstract
Simulations of large detectors such as the ATLAS detector at the LHC (Large Hadron Collider) are compute-intensive projects, and are according to current internal estimates expected to be consuming 40 % of the total ATLAS CPU resources in 2020, creating a need for software optimization strategies. We investigate build configurations of the Geant4 simulation software to find if a) a performance improvement can be made by switching build configuration and b) if such build configuration switches produce the same physics results. We performed measurements of CPU time per event and energy deposited per event using both the ATLAS detector geometry and the CMS detector geometry on two types of hardware. We find potential performance improvements... (More)
Simulations of large detectors such as the ATLAS detector at the LHC (Large Hadron Collider) are compute-intensive projects, and are according to current internal estimates expected to be consuming 40 % of the total ATLAS CPU resources in 2020, creating a need for software optimization strategies. We investigate build configurations of the Geant4 simulation software to find if a) a performance improvement can be made by switching build configuration and b) if such build configuration switches produce the same physics results. We performed measurements of CPU time per event and energy deposited per event using both the ATLAS detector geometry and the CMS detector geometry on two types of hardware. We find potential performance improvements using static linking of the Geant4 libraries of up to ∼19% using unsafe build options and up to ∼10 % using safe build options. We observe three sources of differences in the average energy deposition per event of order ∼0.1 %. These sources include the expected unsafe optimization methods but also differences between hardware platforms and from changing the compiler that is used to build the simulation. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
De stora experimenten vid CERN:s partikelaccelerator LHC har redan tagit mänsklighetens insikt om hur världen är beskaffad till nya nivåer och de planeras att
producera mer rådata framöver. För att tolka vad instrumenten säger oss behöver vi simulerad data att jämföra med och i dagsläget riskerar experimentens framfart att haltas
om inte simuleringarna kan hålla uppe tempot. Vid Lunds universitet studeras därför alternativa metoder för att förbättra hastigheten på experimentens detektorsimuleringar.

Simulering är en beräkningsmetod som används för att förstå hur komplicerade system såsom partikeldetektorer fungerar. Det är en särskilt användbar metod där det är omöjligt att göra
exakta beräkningar men den är inte gratis utan kräver... (More)
De stora experimenten vid CERN:s partikelaccelerator LHC har redan tagit mänsklighetens insikt om hur världen är beskaffad till nya nivåer och de planeras att
producera mer rådata framöver. För att tolka vad instrumenten säger oss behöver vi simulerad data att jämföra med och i dagsläget riskerar experimentens framfart att haltas
om inte simuleringarna kan hålla uppe tempot. Vid Lunds universitet studeras därför alternativa metoder för att förbättra hastigheten på experimentens detektorsimuleringar.

Simulering är en beräkningsmetod som används för att förstå hur komplicerade system såsom partikeldetektorer fungerar. Det är en särskilt användbar metod där det är omöjligt att göra
exakta beräkningar men den är inte gratis utan kräver stora mängder datorresurser. För ATLAS-experimentet vid LHC uppskattas just simulering av detektorerna konsumera omkring
40 % av beräkningsbudgeten under 2020. Vid Lunds universitet så studeras just nu ifall det går att få ut ytterligare prestanda från de nuvarande resurserna utan att ändra koden som producerar
simuleringarna.

Vetenskaplig mjukvara skiljer sig inte i grund och botten från vanlig mjukvara och produceras genom att människor skriver kod som sedan översätts av ett program till instruktioner för datorn.
Det finns dock inte bara en process för hur den här översättningen kan gå till och olika metoder har för och nackdelar som måste vägas mot varandra. De vanliga metoderna som används är inte
de som prioriterar simuleringshastighet utan snarare flexibilitet. I teorin finns det alltså möjlighet att offra flexibilitet för hastighet men det måste bekräftas med mätningar.

De första resultaten från mätningar som har gjorts pekar åt att det går att förbättra simuleringssituationen genom att ändra hur simuleringarna byggs. Däremot visar det sig att alla
metoder inte producerar exakt samma fysik. Eftersom det inte går att säga vilken metod som är korrekt, de borde alla producera samma utfall, kan det här vara en ny källa till osäkerhet som
måste utforskas vidare. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Elén, Einar LU
supervisor
organization
course
FYSM60 20201
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
ATLAS, LHC, Geant4, Compiler optimization, Reproducibility
language
English
id
9020678
date added to LUP
2020-09-07 11:54:52
date last changed
2020-09-07 11:54:52
@misc{9020678,
  abstract     = {{Simulations of large detectors such as the ATLAS detector at the LHC (Large Hadron Collider) are compute-intensive projects, and are according to current internal estimates expected to be consuming 40 % of the total ATLAS CPU resources in 2020, creating a need for software optimization strategies. We investigate build configurations of the Geant4 simulation software to find if a) a performance improvement can be made by switching build configuration and b) if such build configuration switches produce the same physics results. We performed measurements of CPU time per event and energy deposited per event using both the ATLAS detector geometry and the CMS detector geometry on two types of hardware. We find potential performance improvements using static linking of the Geant4 libraries of up to ∼19% using unsafe build options and up to ∼10 % using safe build options. We observe three sources of differences in the average energy deposition per event of order ∼0.1 %. These sources include the expected unsafe optimization methods but also differences between hardware platforms and from changing the compiler that is used to build the simulation.}},
  author       = {{Elén, Einar}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Optimization and validation of Geant4 detector simulation software for the ATLAS experiment at the LHC}},
  year         = {{2020}},
}