Un’informatica potenziata migliora la precisione delle previsioni meteorologiche europee
L’attuale software applicativo per grandi volumi di dati dei servizi meteorologici e climatici non è molto efficiente quando eseguito su processori esistenti di tipo unità centrale di elaborazione (CPU): le sue prestazioni di picco sono all’incirca del 5 %, principalmente a causa di una mancanza di intensità aritmetica. Il software, inoltre, non è in grado di adattarsi a opzioni per nuovi hardware dei processori in rapida evoluzione, il che è dovuto soprattutto a una mancanza di flessibilità nella mappatura di specifici problemi di calcolo su unità di elaborazione eterogenee. Questo problema è ulteriormente aggravato da altri fattori di sviluppo hardware che non sono necessariamente appropriati per le simulazioni meteorologiche e climatiche. Potenziare le prestazioni e l’efficienza energetica della modellizzazione meteorologica e climatica Il progetto ESCAPE, finanziato dall’UE, si è prefisso di «porre rimedio a questo squilibrio mediante azioni che rinnovino in modo sostanziale la modellizzazione del sistema Terra», afferma il coordinatore del progetto, il dott. Peter Bauer. Il progetto ha sviluppato una comprensione olistica dell’efficienza energetica relativa ad applicazioni per grandi volumi di dati che utilizzano architetture eterogenee, acceleratori e unità di calcolo speciali. Il team del progetto ha sviluppato e testato il concetto di elementi costitutivi algoritmici di base, chiamati «nani», che rappresentano unità funzionali nel modello di previsione e ha sviluppato nuovi algoritmi concepiti appositamente per una migliore efficienza energetica e una maggiore portabilità. «La valutazione dei metodi e degli algoritmi numerici per i nani, piuttosto che per gli interi modelli, riduce la complessità del codice», spiega il dott. Bauer. «Consente ai centri di calcolo ad alte prestazioni (HPC), ai gruppi di ricerca e ai fornitori di hardware di concentrarsi su aspetti specifici delle prestazioni per i quali la ristrutturazione del codice e il suo adattamento a nuove architetture del processore sono più semplici». I partner del progetto hanno poi adattato e ottimizzato i nani risultanti in termini di prestazioni di calcolo per diverse architetture hardware. Relativamente alle trasformazioni spettrali sulle CPU, hanno ottenuto incrementi di efficienza fino al 40 %. L’ottimizzazione del codice per le unità di elaborazione grafica (GPU) ha consentito di realizzare velocità tra le 10 e le 50 volte maggiori su un singolo nodo, e ancora di 2 - 3 volte maggiori se implementata su più GPU. Il team di ESCAPE si è inoltre concentrato su linguaggi specifici al settore (DSL). Se adattato alla GPU con un DSL, il calcolo dell’avvezione dell’aria effettuato da un nano ha mostrato un raddoppiamento di velocità rispetto alla versione adattata manualmente. Il team ha analizzato una vasta gamma di metodi numerici che sfruttano i risolutori multi-grid e diversi tipi di discretizzazione spaziale e temporale. Miglioramenti nelle capacità predittive meteorologiche e climatiche ESCAPE stimolerà l’eccellenza europea per l’impiego dell’HPC su scala exa contribuendo a incentivare una delle aree di impatto sociale più ampie: la previsione meteorologica ad alta risoluzione. Previsioni più precise in termini sia spaziali sia temporali sono fondamentali nei settori dei viaggi, della salute, del lavoro e della sicurezza. «Grazie ai progressi nelle capacità predittive compiuti da ESCAPE, l’impatto del tempo atmosferico sulla società attraverso la previsione e la preparazione è stato ridotto», afferma il dott. Bauer. «Modificando gli algoritmi numerici e utilizzando nuovi modelli di programmazione, saranno possibili e accessibili miglioramenti sostanziali alle previsioni meteorologiche e climatiche, consentendo di fornire avvertimenti affidabili con il sufficiente anticipo», conclude il dott. Bauer. «ESCAPE rappresenta un grande passo in avanti per la modellizzazione meteorologica e climatica». Il progetto beneficia direttamente tutti i membri del Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio tempo (CEPMMT) e i paesi ad esso associati. Sosterrà sia il servizio di monitoraggio atmosferico di Copernicus sia il servizio relativo ai cambiamenti climatici di Copernicus, che si affidano al sistema di previsione integrato del CEPMMT.
Parole chiave
ESCAPE, tempo atmosferico, clima, linguaggi specifici al settore (DSL), nano, previsione, modellizzazione, calcolo ad alte prestazioni (HPC), unità di elaborazione grafica (GPU), efficienza energetica, scala exa