ALICE は持続可能なコンピューティングに向けて取り組みを強化します

まったく新しいコンピューティング モデル (O2 プロジェクト) の設計と導入により、ALICE のコラボレーションにより、オンラインとオフラインのデータ処理を単一のソフトウェア フレームワークに統合し、Run 3 以降の要求に対応できるようになります。 フォルカー・リンデンシュルートが舞台裏に迫る。

大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、2022 年 7 月 5 日に轟音を立てて復活し、13.6 TeV という記録的な質量中心エネルギーでの陽子と陽子の衝突が実験 3 で再開されました。ALICE の共同作業が瞬間光度の増加の恩恵を受けることができるようにするためです。今回および将来の LHC 実験では、ALICE 実験は長期停止 2 (2019 ～ 2022 年) 中に大幅なアップグレードを受け、特に低運動量粒子の空間精度と追跡効率の点で軌道の再構築が大幅に改善されました。 このアップグレードにより、連続読み出しモードでの鉛-鉛（PbPb）衝突の相互作用速度が最大 50 kHz まで向上することも可能になり、これにより ALICE は、実行 1 と実行 2 のサンプルを合わせたものより 10 倍を超えるデータ サンプルを収集できるようになります。 。

ALICE は、極限核物質の研究に特化した LHC のユニークな実験です。 それは中央バレル (最大のデータ生成者) と前方ミューオン「アーム」で構成されます。 中央バレルは粒子追跡のために主に 4 つのサブ検出器に依存しています。新しい内部追跡システム (ITS) は、7 層の 12.5 ギガピクセルのモノリシック シリコン トラッカーです (CERN Courier July/August 2021 p29)。 連続動作のための GEM ベースの読み出しを備えたアップグレードされた時間投影チャンバー (TPC)。 遷移放射線検出器と、 そして飛行時間型検出器。 ミュオンアームは、新しく設置されたミューオンフォワードトラッカー（モノリシックアクティブピクセルセンサーに基づくシリコントラッカー）、改良されたミューオンチャンバー、ミューオン識別器の3つの追跡デバイスで構成されています。

アップグレードされた ALICE 検出器のデータ量が増加したため、Run 3 中に生成されたすべての生データを保存することは不可能です。 したがって、最新の実行に備えた ALICE の主要なアップグレードの 1 つは、まったく新しいコンピューティング モデルの設計と導入でした。O2 プロジェクトは、オンライン (同期) とオフライン (非同期) のデータ処理を単一のソフトウェア フレームワークに統合します。 データの読み出しと処理のための実験のコンピューティング ファームのアップグレードに加えて、効率的なオンライン圧縮と、処理を高速化するためのグラフィックス プロセッシング ユニット (GPU) の使用が必要になります。

名前が示すように、GPU はもともと、特に 3D ゲームにおけるコンピューター グラフィックスのレンダリングを高速化するために設計されました。 GPU はそのようなワークロードに引き続き利用されていますが、さまざまな設定で使用できる汎用ベクトル プロセッサーとなっています。 複数のタスクを同時に実行する本質的な能力により、従来の CPU よりもはるかに高い計算スループットが得られ、データ キャッシュなどではなくデータ処理用に最適化することができます。 したがって、GPU は、関連するコンピューティング ファームのコストとエネルギー消費を削減します。GPU がなければ、50 kHz のインタラクション レートで PbPb 衝突データの ALICE TPC オンライン処理を処理するには、同じタイプのサーバーとその他のリソースの約 8 倍の数が必要になります。

ハイレベル トリガー オンライン コンピューター ファーム (HLT) が運用を開始した 2010 年以来、ALICE 検出器は、高エネルギー物理学におけるデータ圧縮と処理のための GPU の使用の先駆けとなってきました。 HLT は検出器読み出しハードウェアに直接アクセスでき、重粒子衝突から得られたデータを圧縮するために不可欠でした。 さらに、HLT ソフトウェア フレームワークは、オンライン データ再構築を実行できるほど高度なものでした。 LHC ラン 1 および 2 での運用中に得られた経験は、現在の O2 ソフトウェアおよびハードウェア システムの設計と開発に不可欠でした。

実行 3 中のデータの読み出しと処理のために、ALICE 検出器のフロントエンド電子機器は、耐放射線性ギガビット トランシーバー リンクを介してカスタム フィールド プログラマブル ゲート アレイに接続されます (「データ フロー」図を参照)。 後者は、第 1 レベル プロセッサ (FLP) ファーム ノードでホストされ、連続読み出しとゼロサプレッション (物理信号なしのデータの削除) を実行します。 ALICE TPC の場合、ゼロサプレッションにより、データ レートが、フロントエンドでの法外な 3.3 TB/s から、50 kHz 最小バイアス PbPb 動作の場合の 900 GB/s に低下します。 このデータ ストリームは、FLP 読み出しファームによって、両方のファームで実行されているデータ配信ソフトウェアを使用してイベント処理ノード (EPN) にプッシュされます。