L’informatique renforcée améliore la précision des prévisions météorologiques en Europe
Le logiciel actuel d’application à grande échelle des services météorologiques et climatiques n’est pas très efficace sur les processeurs de type unité centrale (UC) existants. Il atteint environ 5 % de puissance de crête, essentiellement en raison d’un manque d’intensité arithmétique. Le logiciel est également incapable de s’adapter aux options en évolution rapide des nouveaux processeurs, principalement à cause d’un manque de flexibilité dans la cartographie de certains problèmes informatiques sur des unités informatiques hétérogènes. Ce problème est encore aggravé par d’autres pilotes pour le développement du matériel qui ne conviennent pas nécessairement aux simulations météorologiques et climatiques. Améliorer la performance et l’efficacité énergétique de la modélisation météorologique et climatique Le projet ESCAPE, financé par l’UE, entendait «restaurer ce déséquilibre grâce à des actions qui remanient complètement la modélisation du système terrestre», explique le Dr Peter Bauer, coordinateur. Le projet a permis d’obtenir une compréhension globale de l’efficacité énergétique pour les applications à grande échelle utilisant des architectures hétérogènes, des accélérateurs et des unités informatiques spéciales. L’équipe du projet a mis au point et testé le concept des éléments algorithmiques fondamentaux appelés nains. Les nains représentent des unités fonctionnelles dans le modèle de prévision. Les membres de l’équipe ont mis au point de nouveaux algorithmes spécialement conçus pour parvenir à une meilleure efficacité énergétique et pour améliorer la portabilité. «Évaluer les méthodes numériques et les algorithmes pour les nains plutôt que pour les modèles entiers permet de réduire la complexité du code», explique le Dr Bauer. «Cela permet aux centres de calcul à haute performance (CHP), aux groupes de recherche et aux vendeurs de matériel de se concentrer sur certains aspects de la performance pour lesquels la restructuration du code et l’adaptation à de nouvelles architectures de processeurs sont plus simples.» Les partenaires du projet ont ensuite adapté et optimisé les nains engendrés en termes de performance informatique pour différentes architectures de matériel. Pour les transformations spectrales sur les UC, ils ont atteint des gains d’efficacité allant jusqu’à 40 %. L’optimisation du code pour les processeurs graphiques (GPU) a fourni des facteurs d’accélération d’environ 10-50 sur un seul nœud, et encore par un facteur de deux ou trois lorsqu’ils sont déployés sur différents GPU. L’équipe d’ESCAPE s’est également intéressée aux langages dédiés (DSL). Quand il est adapté aux GPU avec un DSL, un nain calculant l’advection d’air a montré une amélioration de la vitesse d’un facteur de deux par rapport à la version adaptée manuellement. Ils ont examiné une série de méthodes numériques exploitant les solveurs multigrilles et différents types de discrétisation spatiale et de progression temporelle. Des améliorations dans les capacités prédictives pour les conditions météorologiques et climatiques ESCAPE aura des répercussions sur l’excellence européenne, car il emploie le CHP à échelle exa pour faciliter l’un des plus grands domaines ayant un impact sociétal: les prévisions météorologiques à haute résolution. Des prévisions plus précises aussi bien en termes de temps que d’espace sont essentielles pour les voyages, la santé, le travail et la sécurité. «L’impact des conditions météorologiques sur la société via les prévisions et la préparation a été réduit grâce aux avancées concernant les prévisions réalisées par ESCAPE», déclare le Dr Bauer. «En modifiant les algorithmes numériques et en utilisant de nouveaux modèles de programmation, d’importantes améliorations aux prédictions météorologiques et climatiques seront possibles et abordables, menant à des alertes fiables et en temps opportun fondées sur les prévisions», conclut le Dr Bauer. «ESCAPE représente une énorme avancée dans la modélisation météorologique et climatique.» Le projet profite directement à tous les membres du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT) et aux pays coopérants. Il soutiendra le service Copernicus de surveillance de l’atmosphère et le service Copernicus concernant le changement climatique qui s’appuient sur le système intégré de prévision du CEPMMT.
Mots‑clés
ESCAPE, conditions météorologiques, climat, langages dédiés (DSL), nain, prévision, modélisation, calcul à haute performance (CHP), processeurs graphiques (GPU), efficacité énergétique, échelle exa