Am Strand sorgen Meereswellen für beruhigendes weißes Rauschen. Doch in wissenschaftlichen Laboren spielen sie eine Schlüsselrolle bei der Wettervorhersage und Klimaforschung. Neben der Atmosphäre ist der Ozean typischerweise einer der größten und rechenintensivsten Bestandteile von Erdsystemmodelle wie das Energy Exascale Earth System Model (E3SM) des Energieministeriums.
Die meisten modernen Ozeanmodelle konzentrieren sich auf zwei Kategorien von Wellen: ein barotropes System mit einer schnellen Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und ein baroklines System mit einer langsamen Wellenausbreitungsgeschwindigkeit. Um die Herausforderung zu bewältigen, diese beiden Modi gleichzeitig zu simulieren, hat ein Team der DOE-Oak Ridge, Los Alamos und Sandia National Laboratories einen neuen Lösungsalgorithmus entwickelt, der die Gesamtlaufzeit des Model for Prediction Across Scales-Ocean (MPAS) reduziert. Ocean, das Ozeanzirkulationsmodell von E3SM, um 45 %.
Die Forscher testeten ihre Software auf dem Summit-Supercomputer in der Oak Ridge Leadership Computing Facility des ORNL, einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Science, und auf dem Compy-Supercomputer im Pacific Northwest National Laboratory. Sie führten ihre primären Simulationen auf den Supercomputern Cori und Perlmutter im National Energy Research Scientific Computing Center des Lawrence Berkeley National Laboratory durch Ergebnisse wurden veröffentlicht im Internationale Zeitschrift für Hochleistungsrechneranwendungen.
Weil TrilinosDa Dahinter, eine Datenbank mit Open-Source-Software, die sich ideal zur Lösung wissenschaftlicher Probleme auf Supercomputern eignet, in der Programmiersprache C++ geschrieben ist und Erdsystemmodelle wie E3SM normalerweise in Fortran geschrieben werden, nutzte das Team ForTrilinos, eine verwandte Softwarebibliothek, die Fortran-Schnittstellen enthält in bestehende C++-Pakete zu integrieren, um den neuen Solver zu entwerfen und anzupassen, der sich auf barotrope Wellen konzentriert.
„Eine nützliche Funktion dieser Schnittstelle besteht darin, dass wir jede Komponente des C++-Pakets in der Fortran-Sprache verwenden können, sodass wir nichts übersetzen müssen, was sehr praktisch ist“, sagte Hauptautor Hyun Kang, ein Computerwissenschaftler für das Erdsystem ORNL.
Diese Arbeit baut darauf auf Forschungsergebnisse veröffentlicht in einem früheren Zeitschrift für Fortschritte bei der Modellierung von Erdsystemen Papier, in dem Forscher des ORNL und des Los Alamos National Laboratory von Hand einen Code zur Verbesserung von MPAS-Ocean erstellten.
Jetzt hat der ForTrilinos-fähige Löser die verbleibenden Nachteile des Lösers aus der vorherigen Studie überwunden, insbesondere wenn Benutzer MPAS-Ocean mit einer kleinen Anzahl von Rechenkernen für eine bestimmte Problemgröße ausführen.
Der Standardlöser von MPAS-Ocean basiert auf explizitem Subcyling, einer Technik, die viele kleine Zeitintervalle oder Zeitschritte verwendet, um die Eigenschaften barotroper Wellen in Verbindung mit baroklinen Berechnungen zu berechnen, ohne das Modell zu destabilisieren.
Wenn eine barokline Welle und eine barotrope Welle mit Zeitschrittgrößen von 300 Sekunden bzw. 15 Sekunden vorangetrieben werden können, muss die barotrope Berechnung 20-mal mehr Iterationen durchführen, um die gleiche Geschwindigkeit beizubehalten, was eine enorme Menge an Rechenleistung erfordert.
Im Gegensatz dazu ist der neue Löser für das barotrope System semi-implizit, d. h. er ist bedingungslos stabil und ermöglicht es Forschern, die gleiche Anzahl großer Zeitschritte ohne Einbußen bei der Genauigkeit zu verwenden, was erhebliche Mengen an Zeit und Rechenleistung spart.
Eine Gemeinschaft von Softwareentwicklern hat Jahre damit verbracht, verschiedene Klimaanwendungen in Trilinos und Fortrilinos zu optimieren, sodass der neueste MPAS-Ocean-Löser, der diese Ressource nutzt, den handgefertigten Solver übertrifft und es anderen Wissenschaftlern ermöglicht, ihre Klimaforschungsbemühungen zu beschleunigen.
„Wenn wir jeden Algorithmus einzeln codieren müssten, würde das viel mehr Aufwand und Fachwissen erfordern“, sagte Kang. „Aber mit dieser Software können wir Simulationen sofort schneller ausführen, indem wir optimierte Algorithmen in unser Programm integrieren.“
Obwohl der aktuelle Solver auf Hochleistungsrechnersystemen immer noch Einschränkungen in der Skalierbarkeit aufweist, ist die Leistung bis zu einer bestimmten Anzahl von Prozessoren außergewöhnlich gut. Dieser Nachteil besteht darin, dass bei der halbimpliziten Methode alle Prozessoren mindestens zehnmal pro Zeitschritt miteinander kommunizieren müssen, was die Leistung des Modells verlangsamen kann. Um dieses Hindernis zu überwinden, optimieren die Forscher derzeit die Prozessorkommunikation und portieren den Solver auf GPUs.
Darüber hinaus hat das Team die Zeitschrittmethode für das barokline System aktualisiert, um die Effizienz von MPAS-Ocean weiter zu verbessern. Durch diese Fortschritte wollen die Forscher Klimavorhersagen schneller, zuverlässiger und genauer machen, was wesentliche Verbesserungen für die Gewährleistung der Klimasicherheit und die Ermöglichung zeitnaher Entscheidungen und hochauflösender Prognosen darstellt.
„Dieser barotrope Moduslöser ermöglicht eine schnellere Berechnung und eine stabilere Integration von Modellen, insbesondere von MPAS-Ocean“, sagte Kang. „Der umfangreiche Einsatz von Rechenressourcen erfordert enorme Mengen an Strom und Energie, aber durch die Beschleunigung dieses Modells können wir diesen Energieverbrauch reduzieren, Simulationen verbessern und die Auswirkungen des Klimawandels Jahrzehnte oder sogar Tausende von Jahren in der Zukunft einfacher vorhersagen.“
Mehr Informationen:
Hyun-Gyu Kang et al, Ein impliziter barotroper Moduslöser für MPAS-Ozean unter Verwendung einer modernen Fortran-Löserschnittstelle, Das International Journal of High Performance Computing Applications (2023). DOI: 10.1177/10943420231205601