Steigerung der Rechenleistung erhöht Genauigkeit der europäischen Wettervorhersage
Gegenwärtige Anwendungssoftware für große Datenmengen, die von Wetter- und Klimadiensten eingesetzt wird, ist auf derzeitigen CPU-Prozessoren nicht sehr effizient. Sie weist etwa 5 % Spitzenleistung auf, was meist mit einem Mangel an arithmetischer Intensität zusammenhängt. Es ist außerdem nicht möglich, die Software an sich rasch entwickelnde Möglichkeiten für neue Prozessor-Hardware anzupassen. Hauptgrund hierfür ist mangelnde Flexibilität bei der Abbildung spezifischer Rechenprobleme auf heterogene Recheneinheiten. Dieses Problem wird von anderen Treibern für die Hardwareentwicklung noch verschärft, die nicht unbedingt ideal für die Simulation von Wetter und Klima sind. Steigerung der Leistung und der Energieeffizienz bei der Wetter- und Klimamodellierung Ziel des EU-finanzierten Projekts ESCAPE war es, „dieses Missverhältnis mithilfe von Maßnahmen auszugleichen, die die Erdsystem-Modellierung grundlegend verbessern werden“, meint Koordinator Dr. Peter Bauer. Bei dem Projekt wurde ein ganzheitliches Verständnis für Energieeffizienz bei Anwendungen mit großen Datenmengen entwickelt, für die heterogene Architekturen, Beschleuniger und besondere Recheneinheiten eingesetzt werden. Das Projektteam entwickelte und testete das Konzept algorithmischer Grundbausteine, die „Dwarfs“ genannt werden. Dwarfs stellen funktionelle Einheiten im Vorhersagemodell dar. Es wurden neue Algorithmen erarbeitet, die speziell im Hinblick auf bessere Energieeffizienz und verbesserte Portabilität konzipiert wurden. „Werden numerische Methoden und Algorithmen für Dwarfs anstatt kompletter Modelle untersucht, verringert das die Komplexität des Codes“ erklärt Dr. Bauer. „Dadurch wird es Hochleistungsrechenzentren, Forschungsgruppen und Hardwareanbietern möglich, sich auf bestimmte Leistungsaspekte zu konzentrieren, für die sich dann eine Neustrukturierung des Codes und die Anpassung an neue Prozessorarchitekturen einfacher gestaltet.“ Die Projektpartner nahmen anschließend Anpassungen und Optimierungen der erarbeiteten Dwarfs hinsichtlich Rechenleistung für verschiedene Hardwarearchitekturen vor. Für Spektraltransformationen auf CPUs konnten sie Effizienzsteigerungen von bis zu 40 % erzielen. Bei Codeoptimierungen für Grafikprozessoren (GPUs) wurden Beschleunigungen um die Faktoren 10‑50 auf einem einzelnen Knoten und nochmals um Faktoren von 2‑3 beim Ausführen auf mehreren GPUs erreicht. Das Team von ESCAPE beschäftigte sich auch eingehend mit domänenspezifischen Sprachen (DSLs). Ein Dwarf, der die Advektion von Luft berechnet, wies, wenn er mittels einer DSL für Grafikprozessoren abgewandelt wurde, eine Geschwindigkeitsverbesserung um den Faktor 2 gegenüber einer manuell angepassten Version auf. Sie untersuchten eine Reihe numerischer Methoden, indem sie Mehrgitterverfahren und verschiedene Arten räumlicher Diskretisierung sowie Zeitschrittverfahren einsetzten. Verbesserungen bei den Vorhersagefähigkeiten für Wetter und Klima ESCAPE wird mit der Anwendung des Exa-Hochleistungsrechnens zur europäischen Exzellenz beitragen und das Arbeiten in einem der die Gesellschaft am stärksten beeinflussenden Bereiche rund um die hochauflösende Wettervorhersage erleichtern. Genauere Vorhersagen bezüglich Zeit wie auch Raum sind von größter Bedeutung für Reisen, Gesundheit, Arbeit und Sicherheit. „Der Einfluss des Wetters auf die Gesellschaft wurde über Vorhersagen und Vorbereitung dank der von ESCAPE erreichten Fortschritte bei den Vorhersagefähigkeiten verringert“, so Dr. Bauer. „Durch die Anpassung numerischer Algorithmen und den Einsatz neuer Programmiermodelle werden nun erhebliche Verbesserungen bei sowohl Wetter- als auch Klimavorhersagen möglich und finanziell tragbar, was das rechtzeitige Herausgeben zuverlässiger Warnungen gestattet“, schließt Dr. Bauer. “ESCAPE stellt im Bereich Wetter- und Klimamodellierung einen großen Schritt nach vorn dar.“ Das Projekt kommt direkt allen Mitgliedern des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) sowie kooperierenden Ländern zugute. Es wird den Copernicus-Dienst zur Überwachung der Atmosphäre ebenso wie den Copernicus-Dienst zur Überwachung des Klimawandels unterstützen, die sich beide auf das integrierte Vorhersagesystem des EZMW stützen.
Schlüsselbegriffe
ESCAPE, Wetter, Klima, domänenspezifische Sprachen (DSLs), Dwarf, Vorhersage, Modellierung, Hochleistungsrechnen, Grafikprozessoren (GPUs), Energieeffizienz, Exa