Abstract
The rapid development of general-purpose computing on graphics processing units (GPGPU) is allowing the implementation of highly-parallelized Monte Carlo simulation chains for particle physics experiments. This technique is particularly suitable for the simulation of a pixelated charge readout for time projection chambers, given the large number of channels that this technology employs. Here we present the first implementation of a full microphysical simulator of a liquid argon time projection chamber (LArTPC) equipped with light readout and pixelated charge readout, developed for the DUNE Near Detector. The software is implemented with an end-to-end set of GPU-optimized algorithms. The algorithms have been written in Python and translated into CUDA kernels using Numba, a just-in-time compiler for a subset of Python and NumPy instructions. The GPU implementation achieves a speed up of four orders of magnitude compared with the equivalent CPU version. The simulation of the current induced on 103 pixels takes around 1 ms on the GPU, compared with approximately 10 s on the CPU. The results of the simulation are compared against data from a pixel-readout LArTPC prototype.
Original language | English |
---|---|
Article number | P04034 |
Journal | Journal of Instrumentation |
Volume | 18 |
Issue number | 4 |
DOIs | |
State | Published - 1 Apr 2023 |
Keywords
- Detector modelling and simulations II (electric fields, charge transport, multiplication and induction, pulse formation, electron emission, etc)
- Noble liquid detectors (scintillation, ionization, double-phase
- Simulation methods and programs
- Time projection Chambers (TPC)
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In: Journal of Instrumentation, Vol. 18, No. 4, P04034, 01.04.2023.
Research output: Contribution to journal › Article › peer-review
TY - JOUR
T1 - Highly-parallelized simulation of a pixelated LArTPC on a GPU
AU - The DUNE collaboration
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AU - Musser, J.
AU - Nachtman, J.
AU - Nagai, Y.
AU - Nagu, S.
AU - Nalbandyan, M.
AU - Nandakumar, R.
AU - Naples, D.
AU - Narita, S.
AU - Nath, A.
AU - Navrer-Agasson, A.
AU - Nayak, N.
AU - Nebot-Guinot, M.
AU - Negishi, K.
AU - Nelson, J. K.
AU - Nelson, M.
AU - Nesbit, J.
AU - Nessi, M.
AU - Newbold, D.
AU - Newcomer, M.
AU - Newton, H.
AU - Nichol, R.
AU - Nicolas-Arnaldos, F.
AU - Nikolica, A.
AU - Nikolov, J.
AU - Niner, E.
AU - Nishimura, K.
AU - Norman, A.
AU - Norrick, A.
AU - Novella, P.
AU - Nowak, J. A.
AU - Oberling, M.
AU - Ochoa-Ricoux, J. P.
AU - Olivier, A.
AU - Olshevskiy, A.
AU - Onel, Y.
AU - Onishchuk, Y.
AU - Ott, J.
AU - Pagani, L.
AU - Palacio, G.
AU - Palamara, O.
AU - Palestini, S.
AU - Paley, J. M.
AU - Pallavicini, M.
AU - Palomares, C.
AU - Pan, S.
AU - Panduro Vazquez, W.
AU - Pantic, E.
AU - Paolone, V.
AU - Papadimitriou, V.
AU - Papaleo, R.
AU - Papanestis, A.
AU - Paramesvaran, S.
AU - Parke, S.
AU - Parozzi, E.
AU - Parsa, S.
AU - Parsa, Z.
AU - Parveen, S.
AU - Parvu, M.
AU - Pasciuto, D.
AU - Pascoli, S.
AU - Pasqualini, L.
AU - Pasternak, J.
AU - Pater, J.
AU - Patrick, C.
AU - Patrizii, L.
AU - Patterson, R. B.
AU - Patton, S. J.
AU - Patzak, T.
AU - Paudel, A.
AU - Paulucci, L.
AU - Pavlovic, Z.
AU - Pawloski, G.
AU - Payne, D.
AU - Pec, V.
AU - Peeters, S. J.M.
AU - Pena Perez, A.
AU - Pennacchio, E.
AU - Penzo, A.
AU - Peres, O. L.G.
AU - Perez Gonzalez, Y. F.
AU - Pérez-Molina, L.
AU - Pernas, C.
AU - Perry, J.
AU - Pershey, D.
AU - Pessina, G.
AU - Petrillo, G.
AU - Petta, C.
AU - Petti, R.
AU - Pia, V.
AU - Piastra, F.
AU - Pickering, L.
AU - Pietropaolo, F.
AU - Pimentel, V. L.
AU - Pinaroli, G.
AU - Plows, K.
AU - Plunkett, R.
AU - Pollman, T.
AU - Pompa, F.
AU - Pons, X.
AU - Poonthottathil, N.
AU - Poppi, F.
AU - Pordes, S.
AU - Porter, J.
AU - Potekhin, M.
AU - Potenza, R.
AU - Potukuchi, B. V.K.S.
AU - Pozimski, J.
AU - Pozzato, M.
AU - Prakash, S.
AU - Prakash, T.
AU - Pratt, C.
AU - Prest, M.
AU - Psihas, F.
AU - Pugnere, D.
AU - Qian, X.
AU - Raaf, J. L.
AU - Radeka, V.
AU - Rademacker, J.
AU - Radev, R.
AU - Radics, B.
AU - Rafique, A.
AU - Raguzin, E.
AU - Rai, M.
AU - Rajaoalisoa, M.
AU - Rakhno, I.
AU - Rakotonandrasana, A.
AU - Rakotondravohitra, L.
AU - Rameika, R.
AU - Ramirez Delgado, M. A.
AU - Ramson, B.
AU - Rappoldi, A.
AU - Raselli, G.
AU - Ratoff, P.
AU - Raut, S.
AU - Razafinime, H.
AU - Razakamiandra, R. F.
AU - Rea, E. M.
AU - Real, J. S.
AU - Rebel, B.
AU - Rechenmacher, R.
AU - Reggiani-Guzzo, M.
AU - Reichenbacher, J.
AU - Reitzner, S. D.
AU - Rejeb Sfar, H.
AU - Renshaw, A.
AU - Rescia, S.
AU - Resnati, F.
AU - Ribas, M.
AU - Riboldi, S.
AU - Riccio, C.
AU - Riccobene, G.
AU - Rice, L. C.J.
AU - Ricol, J. S.
AU - Rigamonti, A.
AU - Rigaut, Y.
AU - Rincón, E. V.
AU - Ritchie-Yates, A.
AU - Rivera, D.
AU - Rivera, R.
AU - Robert, A.
AU - Rocabado Rocha, J. L.
AU - Rochester, L.
AU - Roda, M.
AU - Rodrigues, P.
AU - Rodriguez Alonso, M. J.
AU - Rodriguez Rondon, J.
AU - Romeo, E.
AU - Rosauro-Alcaraz, S.
AU - Rosier, P.
AU - Rossella, M.
AU - Rossi, M.
AU - Ross-Lonergan, M.
AU - Rout, J.
AU - Roy, P.
AU - Rubbia, A.
AU - Rubbia, C.
AU - Ruiz Ferreira, G.
AU - Russell, B.
AU - Ruterbories, D.
AU - Rybnikov, A.
AU - Saa-Hernandez, A.
AU - Saakyan, R.
AU - Sacerdoti, S.
AU - Sahu, N.
AU - Sala, P.
AU - Samios, N.
AU - Samoylov, O.
AU - Sanchez, M. C.
AU - Sandberg, V.
AU - Sanders, D. A.
AU - Sankey, D.
AU - Santoro, D.
AU - Saoulidou, N.
AU - Sapienza, P.
AU - Sarasty, C.
AU - Sarcevic, I.
AU - Sarra, I.
AU - Savage, G.
AU - Savinov, V.
AU - Scanavini, G.
AU - Scaramelli, A.
AU - Scarff, A.
AU - Scarpelli, A.
AU - Schefke, T.
AU - Schellman, H.
AU - Schifano, S.
AU - Schlabach, P.
AU - Schmitz, D.
AU - Schneider, A. W.
AU - Scholberg, K.
AU - Schukraft, A.
AU - Segreto, E.
AU - Selyunin, A.
AU - Senise, C. R.
AU - Sensenig, J.
AU - Sgalaberna, D.
AU - Shaevitz, M. H.
AU - Shafaq, S.
AU - Shaker, F.
AU - Shamma, M.
AU - Shanahan, P.
AU - Sharankova, R.
AU - Sharma, H. R.
AU - Sharma, R.
AU - Kumar, R.
AU - Shaw, K.
AU - Shaw, T.
AU - Shchablo, K.
AU - Shepherd-Themistocleous, C.
AU - Sheshukov, A.
AU - Shi, W.
AU - Shin, S.
AU - Shoemaker, I.
AU - Shooltz, D.
AU - Shrock, R.
AU - Silber, J.
AU - Simard, L.
AU - Sinclair, J.
AU - Sinev, G.
AU - Singh, Jaydip
AU - Singh, J.
AU - Singh, L.
AU - Singh, P.
AU - Singh, V.
AU - Singh Chauhan, S.
AU - Sipos, R.
AU - Sirri, G.
AU - Sitraka, A.
AU - Siyeon, K.
AU - Skarpaas, K.
AU - Smith, E.
AU - Smith, P.
AU - Smolik, J.
AU - Smy, M.
AU - Snider, E. L.
AU - Snopok, P.
AU - Snowden-Ifft, D.
AU - Soares Nunes, M.
AU - Sobel, H.
AU - Soderberg, M.
AU - Sokolov, S.
AU - Solano Salinas, C. J.
AU - Söldner-Rembold, S.
AU - Soleti, S. R.
AU - Solomey, N.
AU - Solovov, V.
AU - Sondheim, W. E.
AU - Sorel, M.
AU - Sotnikov, A.
AU - Soto-Oton, J.
AU - Sousa, A.
AU - Soustruznik, K.
AU - Spagliardi, F.
AU - Spanu, M.
AU - Spitz, J.
AU - Spooner, N. J.C.
AU - Spurgeon, K.
AU - Stalder, D.
AU - Stancari, M.
AU - Stanco, L.
AU - Steenis, J.
AU - Stein, R.
AU - Steiner, H. M.
AU - Steklain Lisbôa, A. F.
AU - Stepanova, A.
AU - Stewart, J.
AU - Stillwell, B.
AU - Stock, J.
AU - Stocker, F.
AU - Stokes, T.
AU - Strait, M.
AU - Strauss, T.
AU - Strigari, L.
AU - Stuart, A.
AU - Suarez, J. G.
AU - Subash, J.
AU - Surdo, A.
AU - Susic, V.
AU - Suter, L.
AU - Sutera, C. M.
AU - Sutton, K.
AU - Suvorov, Y.
AU - Svoboda, R.
AU - Swain, S. K.
AU - Szczerbinska, B.
AU - Szelc, A. M.
AU - Taffara, A.
AU - Talukdar, N.
AU - Tamara, J.
AU - Tanaka, H. A.
AU - Tang, S.
AU - Taniuchi, N.
AU - Tapia Oregui, B.
AU - Tapper, A.
AU - Tariq, S.
AU - Tarpara, E.
AU - Tata, N.
AU - Tatar, E.
AU - Tayloe, R.
AU - Teklu, A. M.
AU - Tennessen, P.
AU - Tenti, M.
AU - Terao, K.
AU - Terranova, F.
AU - Testera, G.
AU - Thakore, T.
AU - Thea, A.
AU - Thompson, A.
AU - Thorn, C.
AU - Timm, S. C.
AU - Tishchenko, V.
AU - Todorović, N.
AU - Tomassetti, L.
AU - Tonazzo, A.
AU - Torbunov, D.
AU - Torti, M.
AU - Tortola, M.
AU - Tortorici, F.
AU - Tosi, N.
AU - Totani, D.
AU - Toups, M.
AU - Touramanis, C.
AU - Travaglini, R.
AU - Trevor, J.
AU - Trilov, S.
AU - Trzaska, W. H.
AU - Tsai, Y.
AU - Tsai, Y. T.
AU - Tsamalaidze, Z.
AU - Tsang, K. V.
AU - Tsverava, N.
AU - Tu, S. Z.
AU - Tufanli, S.
AU - Tull, C.
AU - Turner, J.
AU - Tuzi, M.
AU - Tyler, J.
AU - Tyley, E.
AU - Tzanov, M.
AU - Uboldi, L.
AU - Uchida, M. A.
AU - Urheim, J.
AU - Usher, T.
AU - Utaegbulam, H.
AU - Uzunyan, S.
AU - Vagins, M. R.
AU - Vahle, P.
AU - Valder, S.
AU - Valdiviesso, G. A.
AU - Valencia, E.
AU - Valentim, R.
AU - Vallari, Z.
AU - Vallazza, E.
AU - Valle, J. W.F.
AU - Vallecorsa, S.
AU - Van Berg, R.
AU - Van De Water, R. G.
AU - Vanegas Forero, D.
AU - Vannerom, D.
AU - Varanini, F.
AU - Vargas Oliva, D.
AU - Varner, G.
AU - Vasina, S.
AU - Vaughan, N.
AU - Vaziri, K.
AU - Vega, J.
AU - Ventura, S.
AU - Verdugo, A.
AU - Vergani, S.
AU - Vermeulen, M. A.
AU - Verzocchi, M.
AU - Vicenzi, M.
AU - Vieira De Souza, H.
AU - Vignoli, C.
AU - Vilela, C.
AU - Viren, B.
AU - Vizcaya-Hernandez, A.
AU - Vrba, T.
AU - Vuong, Q.
AU - Wachala, T.
AU - Waldron, A. V.
AU - Wallbank, M.
AU - Walton, T.
AU - Wang, H.
AU - Wang, J.
AU - Wang, L.
AU - Wang, M. H.L.S.
AU - Wang, X.
AU - Wang, Y.
AU - Wang, Y.
AU - Warburton, K.
AU - Warner, D.
AU - Wascko, M. O.
AU - Waters, D.
AU - Watson, A.
AU - Wawrowska, K.
AU - Weatherly, P.
AU - Weber, A.
AU - Weber, M.
AU - Wei, H.
AU - Weinstein, A.
AU - Wenman, D.
AU - Wetstein, M.
AU - Whilhelmi, J.
AU - White, A.
AU - White, A.
AU - Whitehead, L. H.
AU - Whittington, D.
AU - Wilking, M. J.
AU - Wilkinson, A.
AU - Wilkinson, C.
AU - Williams, Z.
AU - Wilson, F.
AU - Wilson, R. J.
AU - Wisniewski, W.
AU - Wolcott, J.
AU - Wolfs, J.
AU - Wongjirad, T.
AU - Wood, A.
AU - Wood, K.
AU - Worcester, E.
AU - Worcester, M.
AU - Wospakrik, M.
AU - Wresilo, K.
AU - Wret, C.
AU - Wu, S.
AU - Wu, W.
AU - Wu, W.
AU - Wurm, M.
AU - Wyenberg, J.
AU - Xiao, Y.
AU - Xiotidis, I.
AU - Yaeggy, B.
AU - Yahlali, N.
AU - Yandel, E.
AU - Yang, G.
AU - Yang, K.
AU - Yang, T.
AU - Yankelevich, A.
AU - Yershov, N.
AU - Yonehara, K.
AU - Yoon, Y. S.
AU - Young, T.
AU - Yu, B.
AU - Yu, H.
AU - Yu, H.
AU - Yu, J.
AU - Yu, Y.
AU - Yuan, W.
AU - Zaki, R.
AU - Zalesak, J.
AU - Zambelli, L.
AU - Zamorano, B.
AU - Zani, A.
AU - Zazueta, L.
AU - Zeller, G. P.
AU - Zennamo, J.
AU - Zeug, K.
AU - Zhang, C.
AU - Zhang, S.
AU - Zhang, Y.
AU - Zhao, M.
AU - Zhivun, E.
AU - Zimmerman, E. D.
AU - Zucchelli, S.
AU - Zuklin, J.
AU - Zutshi, V.
AU - Zwaska, R.
N1 - Funding Information: This work was supported by CNPq, FAPERJ, FAPEG and FAPESP, Brazil; CFI, IPP and NSERC, Canada; CERN; MŠMT, Czech Republic; ERDF, H2020-EU and MSCA, European Union; CNRS/IN2P3 and CEA, France; INFN, Italy; FCT, Portugal; NRF, South Korea; CAM, Fundación “La Caixa”, Junta de Andalucía-FEDER, MICINN, and Xunta de Galicia, Spain; SERI and SNSF, Switzerland; TÜBİTAK, Turkey; The Royal Society and UKRI/STFC, United Kingdom; DOE and NSF, United States of America. This research used resources of the National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), a U.S. Department of Energy Office of Science User Facility operated under Contract No. DE-AC02-05CH11231. Publisher Copyright: © 2023 CERN.
PY - 2023/4/1
Y1 - 2023/4/1
N2 - The rapid development of general-purpose computing on graphics processing units (GPGPU) is allowing the implementation of highly-parallelized Monte Carlo simulation chains for particle physics experiments. This technique is particularly suitable for the simulation of a pixelated charge readout for time projection chambers, given the large number of channels that this technology employs. Here we present the first implementation of a full microphysical simulator of a liquid argon time projection chamber (LArTPC) equipped with light readout and pixelated charge readout, developed for the DUNE Near Detector. The software is implemented with an end-to-end set of GPU-optimized algorithms. The algorithms have been written in Python and translated into CUDA kernels using Numba, a just-in-time compiler for a subset of Python and NumPy instructions. The GPU implementation achieves a speed up of four orders of magnitude compared with the equivalent CPU version. The simulation of the current induced on 103 pixels takes around 1 ms on the GPU, compared with approximately 10 s on the CPU. The results of the simulation are compared against data from a pixel-readout LArTPC prototype.
AB - The rapid development of general-purpose computing on graphics processing units (GPGPU) is allowing the implementation of highly-parallelized Monte Carlo simulation chains for particle physics experiments. This technique is particularly suitable for the simulation of a pixelated charge readout for time projection chambers, given the large number of channels that this technology employs. Here we present the first implementation of a full microphysical simulator of a liquid argon time projection chamber (LArTPC) equipped with light readout and pixelated charge readout, developed for the DUNE Near Detector. The software is implemented with an end-to-end set of GPU-optimized algorithms. The algorithms have been written in Python and translated into CUDA kernels using Numba, a just-in-time compiler for a subset of Python and NumPy instructions. The GPU implementation achieves a speed up of four orders of magnitude compared with the equivalent CPU version. The simulation of the current induced on 103 pixels takes around 1 ms on the GPU, compared with approximately 10 s on the CPU. The results of the simulation are compared against data from a pixel-readout LArTPC prototype.
KW - Detector modelling and simulations II (electric fields, charge transport, multiplication and induction, pulse formation, electron emission, etc)
KW - Noble liquid detectors (scintillation, ionization, double-phase
KW - Simulation methods and programs
KW - Time projection Chambers (TPC)
UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85160013107&partnerID=8YFLogxK
U2 - 10.1088/1748-0221/18/04/P04034
DO - 10.1088/1748-0221/18/04/P04034
M3 - Artículo
AN - SCOPUS:85160013107
SN - 1748-0221
VL - 18
JO - Journal of Instrumentation
JF - Journal of Instrumentation
IS - 4
M1 - P04034
ER -