Investigation of hadron matter using lattice QCD and implementation of lattice QCD applications on heterogeneous multicore acceleration processors

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Place of Publication:	University of Regensburg
Series of the University of Regensburg:	Dissertationsreihe der Fakultät für Physik der Universität Regensburg
Volume:	23
Number of Pages:	324
Date:	20 March 2012
Referee:	Prof. Dr. Andreas Schaefer and Prof. Dr. Dirk Pleiter and Prof. Dr. Thomas Niehaus and Prof. Dr. Rupert Huber
Date of exam:	7 July 2011
Institutions:	Physics > Institute of Theroretical Physics > Chair Professor Schäfer > Group Andreas Schäfer
Keywords:	Lattice QCD, particle physics, hadron structure, QDP, chroma, heterogeneous multicore computing, HPC, cell processor, expression templates, active libraries
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	22098

Abstract (English)

Observables relevant for the understanding of the structure of baryons were determined by means of Monte Carlo simulations of Lattice Quantum Chromodynamics (QCD) using 2+1 dynamical quark flavours. Especial emphasis was placed on how these observables change when flavour symmetry is broken in comparison to choosing equal masses for the two light and the strange quark. The first two moments of ...

Abstract (English)

Observables relevant for the understanding of the structure of baryons
were determined by means of Monte Carlo simulations of Lattice Quantum
Chromodynamics (QCD) using 2+1 dynamical quark flavours. Especial
emphasis was placed on how these observables change when flavour
symmetry is broken in comparison to choosing equal masses for the two
light and the strange quark. The first two moments of unpolarised,
longitudinally, and transversely polarised parton distribution
functions were calculated for the nucleon and hyperons. The latter are
baryons which comprise a strange quark.

Lattice QCD simulations tend to be extremely expensive, reaching the
need for petaflop computing and beyond, a regime of computing power we
just reach today. Heterogeneous multicore computing is getting
increasingly important in high performance scientific computing. The
strategy of deploying multiple types of processing elements within a
single workflow, and allowing each to perform the tasks to which it is
best suited is likely to be part of the roadmap to exascale. In this
work new design concepts were developed for an active library (QDP++)
harnessing the compute power of a heterogeneous multicore processor
(IBM PowerXCell 8i processor). Not only a proof-of-concept is given
furthermore it was possible to run a QDP++ based physics application
(Chroma) achieving a reasonable performance on the IBM BladeCenter QS22.

Translation of the abstract (German)

Die für das Verständnis der Struktur von Baryonen relevanten Observablen wurden mittels Monte-Carlo-Simulationen bestimmt, wobei 2+1 dynamische Quarks verwendet wurden. Dabei wurde insbesondere untersucht, wie sich diese Observablen ändern, wenn die Flavour-Symmetrie gestört wird im Vergleich zum Fall, wo die Massen der beiden leichten Quarks sowie des schweren Quarks gleich gewählt werden. Es ...

Translation of the abstract (German)

Die für das Verständnis der Struktur von Baryonen relevanten
Observablen wurden mittels Monte-Carlo-Simulationen bestimmt, wobei
2+1 dynamische Quarks verwendet wurden. Dabei wurde insbesondere
untersucht, wie sich diese Observablen ändern, wenn die
Flavour-Symmetrie gestört wird im Vergleich zum Fall, wo die Massen
der beiden leichten Quarks sowie des schweren Quarks gleich gewählt
werden. Es wurden die ersten beiden Momente der unpolarisierten,
longitudinal sowie transversal polarisierten Parton
Distributionsfunktionen von Nukleonen und Hyperonen berechnet.
Letztere sind Baryonen mit Strangequark Inhalt.

Gitter QCD Simulationen neigen dazu, extrem teuer zu sein. Dabei
reicht die benötigte Rechenleistung bis Peta-Flop Rechner und
darüber hinaus -- ein Leistungsbereich der erst jetzt erschlossen
wird. Heterogenes Mehrkernrechnen wird zunehmend bedeutsamer im
wissenschaftlichen Umfeld des Hoch- und Höchstleistungsrechnens.
Die Strategie, verschiedene Typen von Rechenelementen in einen einzigen
Arbeitsfluss zu integrieren bei gleichzeitiger optimaler Zuordnung der
einzelnen Arbeitsschritte zu Rechenelementen wird sicherlich Teil des
erfolgreichen Wegs zu Exascale sein. In dieser Arbeit wurden neue
Designelemente für aktive Bibliotheken (QDP++) unter Ausnutzung der
Rechenleistung heterogener Mehrkern-Prozessoren (IBM PowerXCell
8i Prozessor) entwickelt. Nicht nur wurde eine Machbarkeitsstudie
unternommen, vielmehr war es möglich eine Physik-Anwendung (Chroma)
mit vernünftiger Performance auf einem IBM BladeCenter QS22
auszuführen.

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