Game on: LHCb-experiment kiest voor processoren uit de spelletjesindustrie

3 juni 2020

Na de duizelingwekkende multy-player videogames verovert de grafische processor nu ook bloedserieuze deeltjesexperimenten op CERN, waarin alleen met protonen op protonen wordt geschoten. 

Het LHCb-experiment in Genève gaat gebruik maken van grafische processoren die al breed worden toegepast in spelcomputers en gameconsoles. Deze GPU’s zijn sneller in het beoordelen of ruwe meetgegevens in de detector fysisch interessant zijn en goedkoper, blijkt uit uitgebreide studies van ondermeer Nikhef.

Nikhef-onderzoekers Daniel Campora en Roel Aaij en mede-projectleider Dorothea Vom Bruch bij een testversie van de grafische trigger.

Het besluit om die beoordeling in de trigger met GPU’s te gaan uitvoeren in plaats van de gebruikelijke CPU’s, wordt toegelicht in een technisch ontwerprapport dat woensdag is vrijgegeven. De overstap vindt plaats in de huidige lange sluiting van de LHC-versneller, die tot 2021 zal duren.

In deze long shutdown (sinds december 2018) wordt LHCb ingrijpend verbouwd; viervijfde van de bestaande detector wordt vervangen. Onderdeel van de aanpassingen in LHCb-II is een nieuw triggersysteem, dat interessante botsingen uit de enorme datastroom filtert en voor latere analyses doorstuurt naar opslagsystemen. Werk op CERN lag tot voor kort overigens goeddeels stil vanwege de corona-pandemie.

Voor de nieuwe first level LHCb-trigger gaan 500 GPU’s gebruikt worden, die beter dan de gewone processoren de massieve ruwe datastromen kunnen beoordelen. Het nieuwe systeem kost ongeveer een half miljoen Zwitserse Francs en is ‘Allen’ gedoopt, een verwijzing naar de Amerikaanse software-pionier Frances Elisabeth Allen. Zij is de eerste vrouw die ooit de prestigieuze Turing Award won, vergelijkbaar met een Nobelprijs, maar dan voor de informatica.

Het nieuwe Allen-systeem kan per seconde ongeveer 100 Gigabyte aan data opnemen en opslaan, waaruit ongeveer tien procent echt zal worden bewaard. Daarbij bepaalt Allen razendsnel welke metingen fysisch interessant zouden kunnen.

GPU’s ontlenen hun vier- tot vijfmaal grotere rekenkracht aan het feit dat ze data parallel kunnen verwerken. Normale processoren handelen zo snel mogelijk stap voor stap informatie af. In parallelle processoren worden duizenden berekeningen zo snel mogelijk naast elkaar uitgevoerd. Dat scheelt ook netwerkverbindingen en ruimte in de bovengrondse computerfaciliteiten.

Data-engineer dr. Roel Aaij van Nikhef is een van de drijvende krachten achter de omwenteling bij LHCb, veelal samen met informaticus dr. Daniel Cámpora van Nikhef. ‘Wij hebben een aantal jaren al gezegd dat dit een belangrijke nieuwe trend in dataverwerking is, en dat Nikhef daarin een actieve rol moet spelen.’

Aaij, zelf jarenlang experimentator: ‘Het was hard werken om ons voorstel om grafisch te gaan echt aanvaard te krijgen. Maar we hebben overtuigend laten zien dat GPU’s even goed of zelfs beter zijn dan CPU’s. En veel goedkoper, wat belangrijk is als je met belastinggeld werkt.’ Daarnaast benadrukt hij dat de technologie energiezuiniger is dan klassieke CPU’s.

De toepassing van grafische processoren is vooral een omwenteling omdat zulke parallelle systemen om hun werk te doen op een heel andere manier moeten worden geprogrammeerd dan traditionele CPU’s. Juist op dat vlak, zegt Aaij, is de laatste toen jaar veel geleerd.

De LHCb-detector op CERN.

Projectleider Vladimir ‘Vava’ Gligorov van CERN, die voor het werk een ERC-beurs kreeg, noemt met name de bijdrage op dat vlak van Cámpora doorslaggevend voor het succes. Cámpora ontwikkelde als promovendus aan de Universiteit van Sevilla geheugensoftware voor de GPU’s waardoor die veel breder inzetbaar werden in de deeltjesdetector.

‘Wat begon als een blue sky project, waarin we wel zouden zien wat het opleverde, werd daardoor een reële optie voor de collaboratie’, aldus Gligorov.

LHCb-groepleider prof. Marcel Merk van Nikhef noemt de ontwikkelingen een opwindende sprong voorwaarts voor het experiment. ‘We nemen deze stap vol vertrouwen. En het voelt goed dat juist Nikhef hier zo sterk in staat.’