Analysis of Open Source Software for Lattice Quantum Chromo Dynamics

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht zwei "Open Source" Projekte für die Gitter-Quanten-Chromo-Dynamik (Gitter-QCD), und zwar das "Chroma Software Projekt" und die "Domain-Decomposition-Hybrid-Monte-Carlo (DD-HMC) Software". Ziel war, Informationen für die Anwendung der Programme aus der Sicht eines neuen Benutzers zu erhalten. Chroma kann für unterschiedliche Anwendungen der Gitter-QCD benutzt werden und ist somit sehr umfangreich. Sowohl Simulationen als auch Messungen können mit verschiedene Algorithmen durchgeführt werden. Um die Software zu benutzen, reicht es aus, den Umgang mit XML-Dateien zur Programmsteuerung zu erlernen. Das Verst"andnis von Details des Quellcodes kann jedoch eine umfassende Aufgabe sein. Um die Richtigkeit der Simulation und Messung von Chroma zu prüfen, wurde die effektive Pionmasse für einen bestimmten Parametersatz ermittelt. Das Ergebniskonnte mit anderen Messungen verglichen werden. Die Funktionalität der DD-HMC Software beschränkt sich auf die Produktion von Eichfeldkonfigurationen. Dafür wird der Hybrid-Monte-Carlo (HMC) Algorithmus mit der Methode der "Domain-Decomposition" benutzt. Das DD-HMC Programm bietet im Vergleich zu Chroma weniger Möglichkeiten. Somit ist der Quellcode nicht so umfangreich und weitestgehend verständlich. Um die Effizienz von Chroma zu analysieren, wurde die Laufzeit des Wilson-Dirac Operators getestet. In einer Simulation mit dynamischen Fermionen ist diese Anwendung die rechenaufwendigste. Daher hängt die Laufzeit der ganzen Simulation von dieser Anwendung ab. Zur Analyse wurde ein theoretisches Modell, sowohl für die Benutzung eines Prozessors als auch für die Benutzung eines Computers mit mehreren Prozessoren, diskutiert.

This thesis analyses two Open Source software projects for Lattice Quantum Chromo Dynamics (LQCD), in fact the Chroma software system and the Domain Decomposition Hybrid Monte-Carlo (DD-HMC) software. The goal was to obtain information about the usage of the software and its libraries from the point of view of a new user. Chroma is a comprehensive software project which can be used for several applications for LQCD like simulation and measurement with different algorithms. To use the software it is sufficient to learn how to deal with XML input files whereas the understanding of the source code in detail can be a difficult task. The correctness of the simulation and measurement with Chroma could be proved for a sample calculation. For it, the effective mass of a pion was determined for a certain set of parameters. This result was compared with other computations. DD-HMC is a software for the generation of gauge configurations by means of the Hybrid Monte-Carlo (HMC) algorithm used with domain decomposition methods. Methods for measurements are not provided by the software. Therefore, the possibilities of DD-HMC are lesser in comparison to the Chroma software system. Thus, the source code of DD-HMC is not as comprehensive as the code of the Chroma and is fairly understandable. To analyse the efficiency of the Chroma software system the application of the Wilson-Dirac operator was benchmarked. Since it is the most computationally intensive task of a simulation with dynamical fermions, the execution time of the whole simulation can depend on the efficiency of this application. For the analysis a theoretical model was discussed for single processors as well as for parallel machines.