ハドロンコライダー実験に於ける大規模データの先進的処理に関する研究開発

• 研究課題/領域番号: 07044102
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 高エネルギー物理学研究所
• 研究代表者: 渡瀬 芳行 高エネルギー物理学研究所, データ処理センター, 教授 (70018662)
• 研究分担者: ボス コルス オランダ国立高エネルギー物理学研究所(NIKHEF), 主任研究員 ; マペリ リビオ CERN研究所, ECP部, 主任研究員 ; 中川 裕治 国際基督教大, 教養学部理学科, 助教授 (20227755) ; ヤープ スベレ CERN研究所, 計算機ネットワーク部, 主任研究員 ; 山形 武虎 国際基督教大, 教養学部理学科, 教授 (90086984) ; 浅井 慎 広島工業大学, 電気工学科, 助教授 (40192926) ; 能町 正治 大阪大学, 核物理学研究センター, 助教授 (90208299) ; 神前 純一 高エネルギー物理学研究所, 物理研究部, 助手 (60169787) ; 高岩 義信 高エネルギー物理学研究所, 物理研究部, 助手 (10206708) ; 佐々木 修 高エネルギー物理学研究所, 物理研究部, 助手 (30178636) ; 森田 洋平 高エネルギー物理学研究所, データ処理センター, 助手 (00212267) ; 真鍋 篤 高エネルギー物理学研究所, データ処理センター, 助手 (90202332) ; 藤井 啓文 高エネルギー物理学研究所, 物理研究部, 助教授 (60013439) ; 尼子 勝哉 高エネルギー物理学研究所, 物理研究部, 助教授 (50044772) ; JARP Sverre CN Division, CERN,Switzerland ; BOS Kors Physics Dept., NIKHEF,The Netherland
• 研究期間 (年度): 1995
• 研究課題ステータス: 完了 (1995年度)
• 配分額: 4,500千円 (直接経費: 4,500千円); 1995年度: 4,500千円 (直接経費: 4,500千円)
• キーワード: 超高エネルギー / ハドロンコライダー / データ収集 / イベンントビルダー / 大規模データ格納 / オブジェクト指向 / GEANT / シミュレーション

研究概要

(1)高速データ収集系の設計開発
大型実験装置からのデータの収集に当たっては、数百から千箇所にもなる多数のフロントエンドのバッファーメモリーモジュールから、事象ごとにデータを一つのプロセッサーに集めて、リアルタイムでの前処理をして、条件に合致した事象のデータのみを後段に転送し、磁気テープなどに記録する。このためには多数のバッファーモジュールから、ランダムに発生する多量のデータを効率よく一つのプロセッサーに集めるメカニズム(イベントビルダーと言う)が必要である。とくに、超高エネルギーハドロンコライダー実験ではデータ収集時の総データ転送容量が100MB/s以上が想定されるため、高い頻度で発生する事象データを各々別々のプロセッサーに並列に収集することが必要である。その方式として、"Global Traffic Control System"を用いた高速イベントビルダーの研究開発をKEKで行ってきている。一方、CERNでは、これとは相補的な"Self Routing System:ATMネットワークスイッチ"の方式を研究開発している。各々のシステムの評価を共同して行った。両方式とも、モデルシステムの製作が終了した段階にあり、今年度はそのシステム試験を行うとともに、システムの性能解析をシミュレーションの手法により行った。
その成果はミシガン州立大学で行われた(Real Time 95)および、IEEEシンポジュームなどで報告した。"Global Traffic Control System"はイベントビルダーとして優れた性能を持つことを示した。また、ATMスイッチによる方式についても、解析と試験の結果、データ転送におけるシャイピング(データ転送の自己制御機構)を行うことで、求められる性能が実現できることを示した。
ここで開発したSbus-Glink(1Gbpsシリアル転送系)インターフェースは非常にシンプルなプロトコルの高速データリンク(データ転送路)である。このようなデータリンクは応用範囲が広くCERNで検討している汎用的な検出器からのデータ転送プロトコル:S-linkへの応用が可能で、その設計作業を行った。これにより現在我々がKEK-B用に開発したSbus-Glinkインターフェースを今後SbusあるいはGlinkを新たな技術に置き換えることが容易になる。これは今後長期にわたっ てデータ収集システムを維持していく上で欠かすことのできないことである。
(2)大規模データの高速記録/管理とデータベース化
データの管理と高速アクセスの方法について、ソフトウエア面からの検討を行なった。特に、階層型のファイルシステムとそれを使ったデータベースとして、オブジェクト指向データベースを使うことを想定して、ネットワーク透過なオブジェクト・アクセスの方式として標準化がなされているCORBAの利用の試験を行った。基本的な機能は利用できるが、性能の点での問題があることが指摘できた。また、オブジェクト指向データベースについての検討と試用は引き続き行った。
(3)オブジェクト指向による大規模プログラムの開発
汎用測定器シミュレーション・プログラムとして、標準的なライブラリーであるGEANTは、全世界の高エネルギー物理関連の研究者によって使われているが、この大規模なプログラム(FORTRAN)をオブジェクト指向プログラム(C++)への転換の可能性を模索していたがCERNのグループも賛同し、昨年から共同で準備をし、今年度は具体的な作業を行った。第一段階であるGEANTプログラムの扱う内容の問題分析/仕様要件文書の作成は日本側が主として行った。この仕様書は、世界のGEANTユーザに回覧され、意見の徴収を行って改訂を繰り返して、完成させた。このように高エネルギー物理実験で使用されるプログラム作成が仕様書の段階から、広範囲の利用者から意見を聞くような例はなく、全く新しい手法となった。
この完成された仕様書に基づき、測定器シミュレーション・プログラムのオブジェクト指向解析を行った。この解析に先立ち、ソフトウエア工学の分野での提唱されている各種のオブジェクト指向解析/設計手法を検討した。OMT法、Booch法、Fusion法、Coad-Yourdon法の中から、Booch法を採用した。この手法により、プログラム構築に必要な各種クラス/オブジェクト間の静的及び動的関係を決定し、オブジェクト・ダイヤグラム、イベント・ダイヤグラムで記述し、オブジェクト指向解析におる上位部の設計を完成させた。さらに、物質中での粒子の振る舞い(トラッキング)に関する部分については、C++によるプログラムを完成させ、C++プログラムの性能評価を行った結果、従来のFORTRANによる場合に比して、性能が良いことの結果を得た。今後は全プログラムの完成に向けて、CERN以外の世界の研究者とも共同して作業をして行くことになっている。

研究成果

• [文献書誌] Y.Nagasaka,M.Nomachi,O.Sasaki and A.Manabe: "Stability of Coherent Data Traffic in a Switching Network" IEEE Transactions on Nuclear Science. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Nagasaka,M.Nomachi,O.Sasaki and M.Tairadate: "Performance Analysis of a Switch-type Event Builder with Global Traffic Control System" IEEE Transactions on Nuclear Science. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] O.Sasaki,M.Nomachi,Y.Nagasaka,A.Manabe,M.Tairadate and Y.Watase: "SBus G-Link Transmitter and Receiver Modules for an Event Builder System" Proceedings of' Workshop on Electronics for LHC Experiments' Lisbon,Portugal,September 11-15,1995. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Costa,A.Manabe,M.Nomachi et al.: "An ATM-based event builder test system" Proceedings of' Workshop on Electronics for LHC Experiments' Lisbon,Portugal,September 11-15. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Costa,A.Manabe,M.Nomachi et al.: "Results from an ATM-based Event Builder Demonstrator" IEEE Transactions on Nuclear Sciences. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Morita,K.B.Urquhart and Y.Watase: "A Client/Sever Tape Robot System Inplemented using CORBA and C++" Proceedings of International Conference on Computing in High Energy Physics,CHEP95 Rio de Janeiro,Brasil,September 18-25,1995. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] G.Cosmo,K.Amako,T.Yamagata,T.Sasaki,T.Asai,Y.Nakagawa,J.Kanzaki et al.: "GEANT4:an Object-Oriented toolkit for simulation in HEP" CERN/LHCC/95-70.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] G.Simone et al.: "GEANT4:Simulation for the Next Generation of HEP Experiments" Proceedings of International Conference on Computing in High Energy Physics,CHEP95 Rio de Janeiro,Brasil,September 18-25,1995. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Nagasaka, M.Nomachi, O.Sasaki and A.Manabe: "Stability of Coherent Data Traffic in a Switching Network" IEEE Transactions on Nuclear Science. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Nagasaka, M.Nomachi, O.Sasaki and M.Tairadate: "Performance Analysis of a Switch-type Event Builder with Global Traffic Control System" IEEE Transactions on Nuclear Science. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] O.Sasaki, M.Nomachi, Y.Nagasaka, A.Manabe, M.Mairadate and Y.Watase: "SBus G-Link Transmitter and Receiver Modules for an Event Builder System" Proceedings of 'Workshop on Electronics for LHC Experiments' Lisbon, Portugal, September. (to be published). 11-15 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Costa, A.Manabe, M.Nomachi et al.: "An ATM-based event builder test system" Proceedings of 'Workshop on Electronics for LHC Experiments' Lisbon, Portugal, September. (to be published). 11-15
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Costa, A.Manabe, M.Nomachi et al.: "Results from an ATM-based Event Builder Demonstrator" IEEE Transactions on Nuclear Sciences. (to be published).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Morita, K.B.Urquhart and Y.Watase: "A Client/Sever Tape Robot System Inplemented using CORBA and C++" Proceedings of International Conference on Computing in High Energy Physics, CHEP95 Rio de Janeiro, Brasil, September. (to be published). 18-25 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] G.Cosmo, K.Amako, T.Yamagata, T.Sasaki, T.Asai, Y.Nakagawa, J.Kanzaki et al.: "GEANT4 : an Object-Oriented toolkit for simulation in HEP" CERN/LHCC/95-70.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] G.Simone et al.: "GEANT4 : Simulation for the Next Generation of HEP Experiments" Proceedings of International Conference on Computing in High Energy Physucs, CHEP95 Rio de Janeiro, Brasil, September. (to be published). 18-25 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より