На пляже волны создают успокаивающий белый шум. Но в научных лабораториях волны играют ключевую роль в прогнозировании погоды и исследованиях климата. Как и атмосфера, океан, как правило, является одним из крупнейших и наиболее требовательных к вычислениям компонентов моделей системы Земли, таких как Модель очень крупномасштабной энергетической системы Земли (E3SM) Министерства энергетики США.
Новые алгоритмы решателя для модели MPAS-Ocean значительно улучшают исследования климата за счет сокращения времени вычислений и повышения точности. Этот прорыв объединяет программирование на Фортране и C++ и является шагом вперед в эффективном и надежном моделировании климата.
Прорыв в моделировании океана
Большинство современных моделей океана фокусируются на двух типах волн: баротропных системах, где волны распространяются быстрее, и баротропных системах, где волны распространяются медленнее. Чтобы помочь решить задачу одновременного моделирования обеих моделей, команда из Национальной лаборатории Ок-Риджа, Национальной лаборатории Лос-Аламоса и Национальной лаборатории Сандии Министерства энергетики разработала новый алгоритм решателя, который сокращает общее время выполнения модели циркуляции океана E3SM, Многомасштабной модели прогнозирования океана (MPAS-Ocean), на 45 процентов.
Исследователи протестировали свое программное обеспечение на суперкомпьютере Summit в ORNL Leadership Computing Facility, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики, а также на суперкомпьютере Compy в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Первичное моделирование они провели на суперкомпьютерах Cori и Perlmutter в Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, а их результаты были опубликованы в Международном журнале высокопроизводительных вычислений.
Инновации в расчетах моделирования климата
Trilinos, база данных программного обеспечения с открытым исходным кодом, идеально подходящая для решения научных задач на суперкомпьютерах, написана на языке программирования C++. Модели земных систем, такие как E3SM, обычно пишутся на Фортране, поэтому исследовательская группа использовала ForTrilinos, соответствующую программную библиотеку, которая включает интерфейсы Фортрана в существующие пакеты программного обеспечения C++, чтобы разработать и настроить новый решатель, ориентированный на волны давления.
«Одной из полезных особенностей этого интерфейса является то, что мы можем использовать каждый компонент пакета C++ на Фортране, поэтому нам не нужно ничего переводить, что очень удобно», — сказал ведущий автор Хюн Кан, специалист по вычислительным системам Земли из ORNL.
Улучшения в MPAS-Ocean
Исследователи из ORNL и Национальной лаборатории Лос-Аламоса опубликовали в Журнале достижений в моделировании систем Земли статью, которая улучшает MPAS-Ocean. Решатели с поддержкой ForTrilinos теперь преодолевают оставшиеся недостатки решателей в предыдущих исследованиях, особенно когда пользователи запускают MPAS-Ocean с небольшим количеством вычислительных ядер для решения заданной задачи.
Решающая программа MPAS-Ocean по умолчанию опирается на явную технологию субциклирования, которая использует множество небольших временных интервалов или временных шагов для расчета характеристик анизотропных волн потока при выполнении расчетов разложения по бароклинной моде без дестабилизации модели. Если продвигать барочную линейную волну и волну пнейтропизма с временными шагами в 300 секунд и 15 секунд соответственно, то для расчета пнейтропизма потребуется выполнить в 20 раз больше итераций, чтобы поддерживать ту же скорость, что требует большой вычислительной мощности.
Напротив, новый решатель изотропной системы является полунеявным, то есть он безоговорочно стабилен, поэтому исследователи могут использовать такое же количество больших временных шагов, не жертвуя точностью, экономя значительное время и вычислительную мощность.
Сообщество разработчиков программного обеспечения потратило годы на оптимизацию различных климатических приложений в Трилиносе и Фортрилиносе, поэтому новейший решатель MPAS-Ocean, использующий этот ресурс, превосходит по производительности решатели, созданные вручную, что позволяет другим ученым ускорить свои усилия по исследованию климата.
«Если бы нам пришлось кодировать каждый алгоритм индивидуально, это потребовало бы больше усилий и опыта», — сказал Канг. «Но с помощью этого программного обеспечения мы можем выполнять моделирование мгновенно и быстрее, включив в программу алгоритмы оптимизации».
Будущие улучшения и последствия
Хотя современные решатели по-прежнему имеют ограничения по масштабируемости высокопроизводительных вычислительных систем, их производительность превосходна, когда количество процессоров достигает определенного уровня. Этот недостаток существует потому, что полунеявный подход требует, чтобы все процессоры взаимодействовали друг с другом не менее 10 раз за временной шаг, что снижает производительность модели. Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи в настоящее время оптимизируют связь процессора и переносят решатель на графический процессор.
Кроме того, исследовательская группа также обновила временной метод алгоритма разложения бароклинной формы для дальнейшего повышения эффективности MPAS-Ocean. Благодаря этим достижениям исследователи стремятся сделать прогнозы климата более быстрыми, надежными и точными — важное улучшение для обеспечения климатической безопасности, обеспечения своевременного принятия решений и прогнозов с высоким разрешением.
«Этот решатель барометрических моделей обеспечивает более быстрые вычисления и более стабильную интеграцию различных моделей, особенно MPAS-Ocean», — сказал Канг. «Интенсивное использование вычислительных ресурсов требует большого количества мощности и энергии, но, ускорив эту модель, мы можем снизить потребление энергии, улучшить моделирование и легче прогнозировать последствия изменения климата на десятилетия и даже тысячелетия в будущем».
Ссылки: «Решатель режима неявного давления MPAS-океана с использованием современного интерфейса решателя на Фортране», Хюн-Гюкан, Раймонд С.Туминаро, Андрей Прокопенко, СетР Джонсон, Эндрю Г.Сэлинджер и Кэтрин Дж. Эванс, 17 ноября 2023 г., «Международный журнал приложений для высокопроизводительных вычислений».
дои: 10.1177/10943420231205601
Источник составления: ScitechDaily.