Większa moc obliczeniowa dla dokładniejszego prognozowania pogody w Europie
Oprogramowanie aplikacji skali „exa” wykorzystywanych obecnie w modelowaniu pogody i klimatu nie jest zbyt wydajne na komputerach bazujących na typowych jednostkach centralnych (CPU). Wydajność szczytowa wynosi około 5 %, głównie z powodu braku intensywności arytmetycznej. Oprogramowanie nie jest również w stanie wykorzystywać mocy obliczeniowej sprzętu nowej generacji. Jest to związane przede wszystkim z brakiem elastyczności w rozdzielaniu konkretnych problemów obliczeniowych na poszczególne jednostki systemów heterogenicznych. Problem pogłębia dodatkowo fakt, że podczas opracowywania nowego sprzętu nie bierze się pod uwagę specyficznych wymogów oprogramowania do symulacji pogody i klimatu. Zwiększanie wydajności i efektywności energetycznej modelowania pogody i klimatu Celem finansowanego przez UE projektu ESCAPE było „rozwiązanie problemu poprzez działania prowadzące do ulepszenia modelowania ziemskiego systemu klimatycznego”, mówi koordynator projektu dr Peter Bauer. W ramach projektu wykorzystano holistyczne podejście do zrozumienia efektywności energetycznej aplikacji skali „exa” wykorzystujących heterogeniczne architektury, akceleratory oraz wyspecjalizowane układy obliczeniowe. Zespół projektu opracował i przetestował tzw. krasnale (ang. dwarfs), czyli zestawy fundamentalnych algorytmów będących elementami składowymi modeli prognozowania. Naukowcy opracowali nowe algorytmy, stworzone specjalnie w celu zwiększenia efektywności energetycznej i przenośności. „Analizowanie metod numerycznych i algorytmów dla krasnali zamiast dla całych modeli zmniejsza złożoność kodu”, wyjaśnia dr Bauer. „Dzięki temu centra obliczeń wielkiej skali (ang. high-performance computing, HPC), grupy badawcze i dostawcy sprzętu mogą skupić się na konkretnych aspektach wydajności, w przypadku których łatwiej jest przeprowadzić restrukturyzację kodu i zaadaptować go na nowe architektury procesorów”. Następnie partnerzy projektu przystosowali i zoptymalizowali nowo opracowane krasnale pod względem wydajności obliczeniowej dla różnych architektur sprzętowych. W przypadku transformat widmowych na procesorach zanotowano wzrost wydajności nawet o 40 %. Optymalizacja kodu dla procesorów graficznych (GPU) pozwoliła zwiększyć wydajność obliczeniową około 10–50 razy na pojedynczej jednostce i 2–3 razy w przypadku wielu procesorów graficznych. Zespół projektu ESCAPE skupił się także na językach dziedzinowych (ang. domain-specific language, DSL). Po adaptacji krasnala do GPU z DSL, zastosowanie go przy obliczaniu adwekcji mas powietrza pozwoliło na dwukrotne przyspieszenie obliczeń w porównaniu do manualnych adaptacji kodu. Naukowcy przetestowali także wiele metod numerycznych, takich jak solwery wielosiatkowe i różne rodzaje dyskretyzacji przestrzennej oraz metodę kroku czasowego. Większe możliwości prognozowania pogody i klimatu Prace zrealizowane w ramach projektu ESCAPE wpłyną na zdolności europejskich naukowców w zakresie wykonywania obliczeń skali „exa” dla celów usprawnienia dziedziny, która ma ogromny wpływ na społeczeństwo: prognozowania pogody wysokiej rozdzielczości. Bardziej precyzyjne prognozy zarówno w czasie, jak i przestrzeni są kluczowe dla podróży, zdrowia, pracy i bezpieczeństwa. „Innowacje w zakresie zdolności predykcyjnych, opracowane w ramach projektu ESCAPE, prowadzą do zmniejszenia wpływu pogody na społeczeństwo związanego z prognozami i przygotowaniami do zmian pogody”, mówi dr Bauer. „Dzięki modyfikacji algorytmów numerycznych i wykorzystywaniu nowych modeli programowania będą możliwe znaczne ulepszenia w prognozowaniu pogody i klimatu, co z kolei pozwoli na przekazywanie wiarygodnych i aktualnych ostrzeżeń pogodowych”, podsumowuje dr Bauer. „Projekt ESCAPE to wielkie krok naprzód w dziedzinie modelowania pogody i klimatu”. Rezultaty projektu są wykorzystywane przez członków i kraje partnerskie Europejskiego Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF). Będą także wspierać usługę monitorowania atmosfery oraz usługę w zakresie zmiany klimatu w ramach programu „Copernicus”, które opierają się na Zintegrowanym Systemie Prognozowania ECMWF.
Słowa kluczowe
ESCAPE, pogoda, klimat, języki dziedzinowe (DSL), krasnal, prognozowanie, modelowanie, obliczenia wielkiej skali (HPC), procesor graficzny (GPU), efektywność energetyczna, skala „exa”
