Unas mejoras informáticas aumentan la precisión de las predicciones meteorológicas europeas
Los actuales «software» de aplicación a una escala extrema para servicios relacionados con el tiempo y el clima no son muy eficientes en los procesadores de la unidad central de procesamiento (CPU) existentes, puesto que poseen un rendimiento máximo de alrededor del 5 %, principalmente debido a la falta de intensidad aritmética. Además, el «software» no es capaz de adaptarse a las opciones de rápida evolución del nuevo «hardware» de los procesadores, principalmente debido a la falta de flexibilidad en el mapeo de problemas informáticos específicos en las unidades informáticas heterogéneas. Este problema se ve agravado por otros impulsores del desarrollo de «hardware» que no son necesariamente buenos para las simulaciones meteorológicas y climáticas. Aumento del rendimiento y la eficiencia energética de la modelización meteorológica y climática El proyecto ESCAPE, financiado con fondos europeos, tenía por objeto «corregir este desequilibrio a través de acciones que reformaran radicalmente la modelización de los sistemas terrestres», explica su coordinador, el doctor Peter Bauer. El proyecto desarrolló una concepción holística de las aplicaciones de escala extrema empleando arquitecturas heterogéneas, aceleradores y unidades de cálculo especiales. El equipo del proyecto desarrolló y probó el concepto de unos elementos algorítmicos básicos denominados «dwarfs». Los «dwarfs» son unidades funcionales en el modelo de predicción. El equipo desarrolló unos nuevos algoritmos diseñados específicamente para mejorar la eficiencia energética y la portabilidad. Según explica el doctor Bauer: «La evaluación de métodos numéricos y algoritmos para “dwarfs” en lugar de modelos enteros reduce la complejidad del código y esto permite que los centros de informática de alto rendimiento (HPC, por sus siglas en inglés), los grupos de investigación y los proveedores de “hardware” se centren en aspectos específicos del rendimiento para los cuales resulta más fácil reestructurar y adaptar el código para las nuevas arquitecturas de los procesadores». A continuación, los socios del proyecto adaptaron y optimizaron los «dwarfs» resultantes en lo que respecta al rendimiento informático de distintas arquitecturas de «hardware». Para las transformaciones espectrales en CPU, lograron un aumento de la eficiencia de hasta el 40 %. La optimización del código para las unidades de procesamiento gráfico (GPU, por sus siglas en inglés) logró unos factores de aceleración de alrededor de 10-50 en un único nodo, y también un factor de 2-3 al instalarlo en varias GPU. El equipo de ESCAPE se centró además en los lenguajes específicos de dominios (DSL, por sus siglas en inglés). Al adaptarse a las GPU con un DSL, un «dwarfs» que calcula la advección de aire presentó una mejora de la velocidad de un factor de dos si se compara con la versión adaptada manualmente. Investigaron una serie de métodos numéricos que explotan solucionadores «multigrid» y distintos tipos de discretización espacial y temporal. Mejoras de la capacidad predictiva para la meteorología y el clima ESCAPE tendrá una repercusión en la excelencia europea para el uso de la HPC a exaescala y contribuirá a facilitar uno de los ámbitos con mayor impacto social: los pronósticos meteorológicos de alta resolución. Las previsiones más precisas tanto en tiempo como en espacio son fundamentales para los viajes, la salud, el trabajo y la seguridad. «El impacto de la meteorología en la sociedad a través de las previsiones y la preparación es menor gracias a los progresos en la capacidad predictiva de ESCAPE», afirma el doctor Bauer. El doctor Bauer concluye: «Al modificar los algoritmos numéricos y utilizar nuevos modelos de programación, se podrán conseguir unas predicciones meteorológicas y climáticas sustancialmente mejores y más asequibles, lo cual resultará en unos avisos fiables y oportunos. ESCAPE representa un gran paso adelante en la modelización meteorológica y climática». El proyecto beneficia directamente a todos los miembros del Centro Europeo de Previsiones Meteorológicas a Plazo Medio (CEPMMP), así como a los países cooperantes. Apoyará tanto al servicio de vigilancia atmosférica de Copernicus como al servicio de Copernicus relativo al cambio climático que se basan en el Servicio de Predicción Integrada del CEPMMP.
Palabras clave
ESCAPE, meteorología, clima, lenguajes específicos de dominios (DSL), «dwarf», previsión, modelización, informática de alto rendimiento (HPC), unidades de procesamiento gráfico (GPU), eficiencia energética, exaescala