Il risolutore predefinito di MPAS-Ocean calcola le caratteristiche delle onde barotropiche insieme ai calcoli baroclini senza destabilizzare il modello
Sulla spiaggia, le onde dell'oceano forniscono un rilassante rumore bianco. Ma nei laboratori scientifici svolgono un ruolo chiave nelle previsioni meteorologiche e nella ricerca sul clima. Insieme all’atmosfera, l’oceano è in genere uno dei componenti più grandi e più impegnativi dal punto di vista computazionale dei modelli del sistema Terra (1) come l’Energy Exascale Earth System Model del Dipartimento dell’Energia, o E3SM.
La maggior parte dei modelli oceanici moderni si concentra su due categorie di onde: un sistema barotropico, che ha una velocità di propagazione delle onde veloce, e un sistema baroclino, che ha una velocità di propagazione delle onde lenta. Per aiutare ad affrontare la sfida di simulare queste due modalità simultaneamente, un team dei Laboratori Nazionali di Oak Ridge, Los Alamos e Sandia del DOE ha sviluppato un nuovo algoritmo di risoluzione che riduce il tempo di esecuzione totale del Model for Prediction Across Scales-Ocean, o MPAS- Ocean, il modello di circolazione oceanica di E3SM, del 45%.
I ricercatori hanno testato il loro software sul supercomputer Summit presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility dell'ORNL, una struttura utente del DOE Office of Science, e sul supercomputer Compy presso il Pacific Northwest National Laboratory. Hanno eseguito le loro simulazioni primarie sui supercomputer Cori e Perlmutter presso il National Energy Research Scientific Computing Center del Lawrence Berkeley National Laboratory e i loro risultati sono stati pubblicati sull'International Journal of High Performance Computing Applications (2).
Poiché Trilinos (3), un database di software open source ideale per risolvere problemi scientifici sui supercomputer, è scritto nel linguaggio di programmazione C++ e i modelli del sistema Terra come E3SM sono tipicamente scritti in Fortran, il team ha approfittato di ForTrilinos (4), una libreria software correlata che incorpora Fortran si interfaccia con i pacchetti C++ esistenti, per progettare e personalizzare il nuovo solutore, che si concentra sulle onde barotropiche.
«Una caratteristica utile di questa interfaccia è che possiamo utilizzare ogni componente del pacchetto C++ nel linguaggio Fortran, quindi non abbiamo bisogno di tradurre nulla, il che è molto conveniente», ha affermato l'autore principale Hyun Kang (5), uno scienziato del sistema computazionale terrestre presso ORNL.
Questo lavoro si basa sui risultati della ricerca pubblicati (6) in un precedente articolo del Journal of Advances in Modeling Earth Systems in cui i ricercatori dell’ORNL e del Los Alamos National Laboratory hanno prodotto manualmente un codice per migliorare MPAS-Ocean. Ora, il solutore abilitato per ForTrilinos ha superato gli inconvenienti rimanenti del solutore dello studio precedente, soprattutto quando gli utenti eseguono MPAS-Ocean utilizzando un numero limitato di core di calcolo per una determinata dimensione del problema.
Il risolutore predefinito di MPAS-Ocean si basa sul subcyling esplicito, una tecnica che utilizza molti piccoli intervalli di tempo, o passaggi temporali, per calcolare le caratteristiche delle onde barotropiche insieme ai calcoli baroclini senza destabilizzare il modello. Se un’onda baroclina e un’onda barotropica possono essere avanzate con intervalli temporali rispettivamente di 300 secondi e 15 secondi, il calcolo barotropico dovrà completare 20 volte più iterazioni per mantenere la stessa velocità, il che richiede un’enorme quantità di potenza di calcolo.
Al contrario, il nuovo solutore per il sistema barotropico è semi-implicito, il che significa che è incondizionatamente stabile e consente quindi ai ricercatori di utilizzare lo stesso numero di ampi intervalli temporali senza sacrificare la precisione, risparmiando notevoli quantità di tempo e potenza di calcolo.
Una comunità di sviluppatori di software ha trascorso anni a ottimizzare varie applicazioni climatiche a Trilinos e Fortrilinos, quindi l’ultimo solutore MPAS-Ocean che sfrutta questa risorsa supera il solutore artigianale, consentendo ad altri scienziati di accelerare i loro sforzi di ricerca sul clima.
«Se dovessimo codificare individualmente ogni algoritmo, ciò richiederebbe molti più sforzi e competenze», ha affermato il dottor Kang. «Ma con questo software possiamo eseguire simulazioni immediatamente e a velocità più elevate incorporando algoritmi ottimizzati nel nostro programma».
Sebbene l'attuale solutore presenti ancora limitazioni di scalabilità sui sistemi informatici ad alte prestazioni, funziona eccezionalmente bene fino a un certo numero di processori. Questo svantaggio esiste perché il metodo semi-implicito richiede che tutti i processori comunichino tra loro almeno 10 volte per fase temporale, il che può rallentare le prestazioni del modello. Per superare questo ostacolo, i ricercatori stanno attualmente ottimizzando le comunicazioni del processore e trasferendo il risolutore sulle GPU.
Inoltre, il team ha aggiornato il metodo di avanzamento temporale per il sistema baroclinico per migliorare ulteriormente l'efficienza di MPAS-Ocean. Attraverso questi progressi, i ricercatori mirano a rendere le previsioni climatiche più veloci, più affidabili e più accurate, che sono aggiornamenti essenziali per garantire la sicurezza climatica e consentire processi decisionali tempestivi e proiezioni ad alta risoluzione.
«Questo risolutore in modalità barotropica consente calcoli più rapidi e un’integrazione più stabile dei modelli, in particolare MPAS-Ocean», ha affermato Kang. «L’uso estensivo delle risorse computazionali richiede un’enorme quantità di elettricità ed energia, ma accelerando questo modello possiamo ridurre il consumo di energia, migliorare le simulazioni e prevedere più facilmente gli effetti del cambiamento climatico decenni o addirittura migliaia di anni nel futuro».
Riferimenti:
(2) An implicit barotropic mode solver for MPAS-ocean using a modern Fortran solver interface
(3) Trilinos
(4) ForTrilinos
(5) Hyun Kang
(6) A Scalable Semi-Implicit Barotropic Mode Solver for the MPAS-Ocean
(7) Office of Science | Department of Energy
Descrizione foto: L'illustrazione mostra le correnti superficiali dell'oceano simulate da MPAS-Ocean. - Credit: Los Alamos National Laboratory, E3SM, U.S. Dept. of Energy.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Custom software speeds up, stabilizes high-profile ocean model