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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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.
