Performance Portable Lattice Gauge Theory Simulation with Kokkos
本文介绍了 \texttt{kwqft}，这是一个基于 Kokkos 的 Wilson 纯规范蒙特卡洛模拟实现，用于 杨-米尔斯理论，它具有性能可移植性，支持任意维度和多种硬件后端，同时在各种高性能计算系统中实现了精度与极具竞争力的性能。
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为了在最基本的层面上理解宇宙，物理学家经常采用一种将空间和时间视为并非平滑、连续织物，而是由微小、离散点组成的网格的方法。想象一个横跨宇宙的巨大、无形的棋盘，每一个交点都承载着关于将物质结合在一起的力量的信息。这就是格点规范场论（lattice gauge theory）的本质，它是一种强大的工具，用于模拟亚原子粒子的行为以及支配它们的力，特别是将原子核结合在一起的强相互作用力。通过将宇宙分解为这些可控的块，科学家可以使用大型计算机追踪粒子的路径并计算它们如何相互作用，从而有效地逆向运行物理定律，以观察会产生什么结果。然而，用于运行这些模拟的硬件已经变得极其多样化。当今的超级计算机是不同处理器的拼凑体，从标准的计算机芯片到专门的图形卡，每种处理器都说着不同的技术语言，并且需要自己独特的一套指令才能高效运行。
这种多样性给研究人员带来了巨大的困扰。为了从特定机器中获得最佳性能，他们通常必须为每一个想要使用的不同类型的处理器从头开始重写模拟代码。为不同的计算机维护不同版本的同一算法既缓慢、昂贵，又容易出错。科学界面临的问题是：是否可能编写一个单一版本的这种复杂模拟代码，使其能够在任何现代计算机上高效运行——从单个处理器到大规模超级计算机——而不牺牲速度。北京高能物理研究所的研究员孙伟通过一种名为 kwqft 的新软件工具回答了这个问题。该程序成功证明，创建一个用于模拟强相互作用力的单一通用代码是可能的，无论其运行在何种硬件上，该代码的表现都能与专门针对特定机器优化的代码不相上下。
这一成就的核心在于一种巧妙的软件设计方法，它将计算机架构视为一个变量而非固定的约束。研究人员使用一种现代编程框架构建了他们的模拟，该框架充当了一个通用翻译官。他们没有为图形卡、标准处理器或专用芯片分别编写指令，而是编写了一套指令，由该框架自动适配于正在运行的机器。这使得同一份代码可以在各种系统（包括来自不同制造商的系统）上运行，而无需研究人员再次修改源代码。该软件设计具有灵活性，允许科学家通过在程序启动前调整几个设置，即可改变模拟中的维度或所研究粒子的特定属性，而无需重写整个程序。
为了证明这种通用方法有效，团队在广泛的硬件上对他们的软件进行了严格测试。他们在 NVIDIA 的高性能图形卡、海光（Hygon）的专用芯片，以及包括华为和英特尔先进型号在内的多种不同类型的中央处理器上运行了模拟。在所有案例中，软件产生的结果都与较简单问题问题的已知精确解相匹配，并与先前发表的更复杂场景的数据一致。研究人员验证了模拟能够正确重现二维、三维和四维空间中强相互作用力的行为，以及不同类型粒子组的行为，确认了通用代码在变得具有可移植性的过程中并未损失精度。
性能结果尤其令人瞩目。在高性能图形卡上运行时，这款通用软件达到了与专门为该卡手工调优的代码几乎相同的速度，在大型模拟中达到了专门化代码效率的 90% 以上。在深圳被称为“线形”（LineShine）的大型超级计算机上，该软件成功扩展到同时在 512 个节点（即单个计算单元）上运行。随着研究人员增加计算能力，模拟速度显著提升，证明了该软件能够处理复杂的通信需求，以保持数千个处理器协同工作。此外，在专为高速向量计算设计的最新一代处理器上，该软件能够同时处理网格上的多个点，使模拟速度比标准版本的同类代码快了三倍。
这项工作的意义不仅限于一次成功的测试。通过证明单一代码库可以在如此多样化的硬件景观中提供具有竞争力的性能，研究人员消除了科学进步的一个主要障碍。科学家们不再需要在编写易于维护的代码和编写快速的代码之间做出选择；他们现在可以“一次编写，随处运行”，并确信软件会自动适配其所在的机器。这为更复杂的宇宙模拟打开了大门，使研究人员能够以前所未有的规模和更轻松的方式，去探索关于宇宙早期时刻和物质本质的问题。kwqft 的成功表明，物理学高性能计算的未来可能不在于不断为新机器重写代码，而在于创造能够自主应对不断变化的技术格局的灵活且智能的工具。
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