نرم افزار سفارشی شتاب می دهد، مدل اقیانوس با مشخصات بالا را تثبیت می کند

اخبار – در ساحل، امواج اقیانوس صدای سفید آرامش‌بخشی ایجاد می‌کنند. اما در آزمایشگاه های علمی، نقش کلیدی در پیش بینی آب و هوا و تحقیقات آب و هوا دارند. همراه با جو، اقیانوس معمولاً یکی از بزرگترین و محاسباتی ترین اجزای آن است. مدل های سیستم زمین مانند مدل سیستم زمینی Exascale انرژی وزارت انرژی یا E3SM.

بیشتر مدل‌های اقیانوسی مدرن بر دو دسته از امواج تمرکز می‌کنند: سیستم باروتروپی که سرعت انتشار موج بالایی دارد و سیستم باروکلینیک که سرعت انتشار موج آهسته دارد. برای کمک به مقابله با چالش شبیه‌سازی این دو رژیم به طور همزمان، تیمی در آزمایشگاه‌های ملی Oak Ridge، Los Alamos و Sandia DOE یک الگوریتم حل جدید ایجاد کردند که زمان اجرای کلی مقیاس‌های پیش‌بینی اقیانوس مدل یا MPAS – Ocean، E3SM را کاهش می‌دهد. مدل گردش اقیانوس، 45٪.

محققان نرم افزار خود را بر روی ابررایانه Summit در Oak Ridge Leadership Computing Facility ORNL، یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE و ابررایانه Compy در آزمایشگاه ملی Pacific Northwest آزمایش کردند. آنها شبیه سازی های اولیه خود را بر روی ابررایانه های Cori و Perlmutter در مرکز ملی محاسبات علمی آزمایشگاه ملی لارنس برکلی برای تحقیقات انرژی و آنها انجام دادند. نتایج منتشر شد که در مجله بین المللی برنامه های محاسباتی با عملکرد بالابا

زیرا تریلینوسپایگاه داده نرم افزار منبع باز ایده آل برای حل مسائل علمی در ابررایانه ها به زبان برنامه نویسی C++ نوشته شده است و مدل های سیستم های زمین مانند E3SM معمولاً در Fortran نوشته می شوند. برای Trillinosیک کتابخانه نرم‌افزاری مرتبط که رابط‌های فرترن را در بسته‌های C++ موجود برای طراحی و سفارشی‌سازی حل‌کننده جدید که بر امواج باروتروپیک تمرکز دارد، ترکیب می‌کند.

هیون کانگ، نویسنده اصلی، دانشمند سیستم محاسباتی زمین، می‌گوید: «یک ویژگی مفید این رابط این است که ما می‌توانیم از هر جزء از بسته ++C به زبان فرترن استفاده کنیم، بنابراین نیازی به ترجمه چیزی نداریم که بسیار راحت است. در ORNL.

این کار می سازد نتایج تحقیقات منتشر شده در یک قبلی مجله پیشرفت در مدل سازی سیستم زمین مقاله‌ای که در آن محققان ORNL و آزمایشگاه ملی لوس آلاموس کدی را برای بهبود MPAS-Ocean ایجاد کردند. اکنون، حل‌کننده فعال‌شده با ForTrilinos بر کاستی‌های باقی‌مانده حل‌کننده از مطالعه قبلی غلبه کرده است، به‌ویژه زمانی که کاربران MPAS-Ocean را با استفاده از تعداد کمی هسته‌های محاسباتی برای اندازه مشکل معین اجرا می‌کنند.

حل‌کننده پیش‌فرض MPAS-Ocean بر زیرچرخه‌سازی صریح متکی است، تکنیکی که از فواصل زمانی یا مراحل زمانی بسیار کوچک برای محاسبه ویژگی‌های موج باروتروپیک در ارتباط با محاسبات باروکلینیک بدون بی‌ثبات کردن مدل استفاده می‌کند. اگر بتوان یک موج باروکلینیک و یک موج باروتروپیک را به ترتیب با اندازه های گام زمانی 300 ثانیه و 15 ثانیه پیش برد، محاسبات باروتروپیک باید 20 برابر تکرارهای بیشتری را برای حفظ سرعت یکسان انجام دهد، که مقدار زیادی از قدرت محاسباتی را می طلبد.

در مقابل، حل‌کننده جدید سیستم باروتروپیک نیمه ضمنی است، به این معنی که بدون قید و شرط پایدار است و بنابراین به محققان اجازه می‌دهد تا از همان تعداد گام‌های زمانی بزرگ بدون کاهش دقت استفاده کنند و در زمان و توان محاسباتی قابل توجهی صرفه‌جویی کنند.

جامعه ای از توسعه دهندگان نرم افزار سال ها را صرف بهینه سازی برنامه های کاربردی مختلف آب و هوا در Trilinos و Fortrilinos کرده اند، بنابراین آخرین حل کننده مشکلات MPAS-Ocean با استفاده از این منبع بهتر از حل کننده های مشکلات دست ساز عمل می کند و به دانشمندان دیگر اجازه می دهد تا تلاش های تحقیقاتی آب و هوایی خود را سرعت بخشند.

کانگ گفت: «اگر مجبور بودیم هر الگوریتم را به صورت جداگانه کدنویسی کنیم، به تلاش و تخصص بیشتری نیاز داشتیم. اما با این نرم‌افزار، می‌توانیم با گنجاندن الگوریتم‌های بهینه‌شده در برنامه خود، شبیه‌سازی‌ها را با سرعت‌های بالاتر اجرا کنیم.»

اگرچه حل‌کننده فعلی هنوز محدودیت‌های مقیاس‌پذیری در سیستم‌های محاسباتی با کارایی بالا دارد، اما تا تعداد معینی از پردازنده‌ها بسیار خوب عمل می‌کند. این اشکال وجود دارد زیرا روش نیمه ضمنی نیازمند این است که همه پردازنده ها حداقل 10 بار در هر مرحله زمانی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند که می تواند عملکرد مدل را کاهش دهد. برای غلبه بر این مانع، محققان در حال حاضر در حال بهینه سازی ارتباطات CPU و انتقال حل کننده به GPU هستند.

علاوه بر این، تیم روش گام به گام برای سیستم باروکلینیک را برای بهبود بیشتر عملکرد MPAS-Ocean به روز کرد. از طریق این پیشرفت‌ها، محققان قصد دارند پیش‌بینی‌های آب و هوا را سریع‌تر، قابل اطمینان‌تر و دقیق‌تر انجام دهند، که یک بهبود اساسی برای تضمین امنیت آب و هوا و امکان تصمیم‌گیری به موقع و پیش‌بینی‌های با وضوح بالا است.

کانگ گفت: «این حالت مهم باروتروپیک امکان محاسبات سریع‌تر و ادغام قوی‌تر مدل‌ها، به ویژه MPAS-Ocean را فراهم می‌کند. استفاده گسترده از منابع محاسباتی به مقدار زیادی برق و انرژی نیاز دارد، اما با سرعت بخشیدن به این مدل می‌توان این مصرف انرژی را کاهش داد، شبیه‌سازی‌ها را بهبود بخشید و به راحتی اثرات تغییرات آب و هوایی را در دهه‌ها یا حتی هزاران سال آینده پیش‌بینی کرد.»

این تحقیق توسط E3SM و محاسبات Exascale پروژه یا ECP. E3SM توسط برنامه تحقیقات بیولوژیکی و محیطی در دفتر علوم DOE حمایت می شود و ECP توسط DOE و اداره ملی امنیت هسته ای مدیریت می شود. برنامه تحقیقات محاسبات علمی پیشرفته وزارت علوم DOE، OLCF و NERSC را تامین می کند.

UT-Battelle ORNL را برای دفتر علوم DOE، بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده، مدیریت می کند. دفتر علوم برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به https://energy.gov/science. – الیزابت روزنتال