Un logiciel personnalisé accélère et stabilise les modèles océaniques de grande envergure

Sur la plage, les vagues de l’océan produisent un bruit blanc apaisant. Mais dans les laboratoires scientifiques, ils jouent un rôle clé dans les prévisions météorologiques et la recherche sur le climat. Avec l’atmosphère, l’océan est généralement l’un des composants les plus vastes et les plus exigeants en termes de calcul. Modèles du système terrestre comme le modèle de système terrestre exascale énergétique du ministère de l’Énergie, ou E3SM.

La plupart des modèles océaniques modernes se concentrent sur deux catégories de vagues : un système barotrope, qui a une vitesse de propagation des ondes rapide, et un système barocline, qui a une vitesse de propagation des ondes lente. Pour aider à relever le défi de la simulation simultanée de ces deux modes, une équipe des laboratoires nationaux d’Oak Ridge, Los Alamos et Sandia du DOE a développé un nouvel algorithme de résolution qui réduit la durée totale d’exécution du modèle de prédiction à travers les échelles-océan, ou MPAS- Océan, le modèle de circulation océanique d’E3SM, de 45 %.

Les chercheurs ont testé leur logiciel sur le supercalculateur Summit de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility de l’ORNL, une installation utilisateur du DOE Office of Science et le supercalculateur Compy du Pacific Northwest National Laboratory. Ils ont exécuté leurs simulations principales sur les supercalculateurs Cori et Perlmutter du Centre informatique scientifique national de recherche énergétique du Lawrence Berkeley National Laboratory, et leur les résultats ont été publiés dans le Journal international des applications de calcul haute performance.

Parce que Trilinosune base de données de logiciels open source idéale pour résoudre des problèmes scientifiques sur des superordinateurs, est écrite dans le langage de programmation C++ et les modèles du système terrestre comme E3SM sont généralement écrits en Fortran, l’équipe a tiré parti de ForTrilinos, une bibliothèque logicielle connexe qui intègre des interfaces Fortran. dans les packages C++ existants, pour concevoir et personnaliser le nouveau solveur, axé sur les ondes barotropes.

“Une fonctionnalité utile de cette interface est que nous pouvons utiliser tous les composants du package C++ dans le langage Fortran, nous n’avons donc pas besoin de traduire quoi que ce soit, ce qui est très pratique”, a déclaré l’auteur principal Hyun Kang, scientifique informatique du système terrestre à ORNL.

Ce travail s’appuie sur résultats de recherche publiés dans un précédent Journal des avancées dans la modélisation des systèmes terrestres article dans lequel des chercheurs de l’ORNL et du laboratoire national de Los Alamos ont produit manuellement un code pour améliorer MPAS-Ocean.

Désormais, le solveur compatible ForTrilinos a surmonté les inconvénients restants du solveur de l’étude précédente, en particulier lorsque les utilisateurs exécutent MPAS-Ocean en utilisant un petit nombre de cœurs de calcul pour une taille de problème donnée.

Le solveur par défaut de MPAS-Ocean s’appuie sur un sous-cylindre explicite, une technique qui utilise de nombreux petits intervalles de temps, ou pas de temps, pour calculer les caractéristiques des ondes barotropes en conjonction avec des calculs baroclines sans déstabiliser le modèle.

Si une onde barocline et une onde barotrope peuvent être avancées avec des pas de temps de 300 secondes et 15 secondes, respectivement, le calcul barotrope devra effectuer 20 fois plus d’itérations pour maintenir la même vitesse, ce qui nécessite une énorme quantité de puissance de calcul.

En revanche, le nouveau solveur pour le système barotrope est semi-implicite, ce qui signifie qu’il est inconditionnellement stable et permet ainsi aux chercheurs d’utiliser le même nombre de pas de temps importants sans sacrifier la précision, ce qui permet d’économiser beaucoup de temps et de puissance de calcul.

Une communauté de développeurs de logiciels a passé des années à optimiser diverses applications climatiques à Trilinos et Fortrilinos, de sorte que le dernier solveur MPAS-Ocean qui exploite cette ressource surpasse le solveur fabriqué à la main, permettant ainsi à d’autres scientifiques d’accélérer leurs efforts de recherche sur le climat.

“Si nous devions coder chaque algorithme individuellement, cela nécessiterait beaucoup plus d’efforts et d’expertise”, a déclaré Kang. “Mais avec ce logiciel, nous pouvons exécuter des simulations immédiatement à des vitesses plus rapides en incorporant des algorithmes optimisés dans notre programme.”

Bien que le solveur actuel présente encore des limites d’évolutivité sur les systèmes informatiques hautes performances, il fonctionne exceptionnellement bien jusqu’à un certain nombre de processeurs. Cet inconvénient existe car la méthode semi-implicite nécessite que tous les processeurs communiquent entre eux au moins 10 fois par pas de temps, ce qui peut ralentir les performances du modèle. Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs optimisent actuellement les communications des processeurs et portent le solveur sur les GPU.

De plus, l’équipe a mis à jour la méthode de pas de temps pour le système barocline afin d’améliorer encore l’efficacité de MPAS-Ocean. Grâce à ces avancées, les chercheurs visent à rendre les prévisions climatiques plus rapides, plus fiables et plus précises, ce qui constitue une amélioration essentielle pour garantir la sécurité climatique et permettre une prise de décision rapide et des projections à haute résolution.

“Ce solveur en mode barotrope permet un calcul plus rapide et une intégration plus stable des modèles, en particulier MPAS-Océan”, a déclaré Kang. “Une utilisation intensive des ressources informatiques nécessite une énorme quantité d’électricité et d’énergie, mais en accélérant ce modèle, nous pouvons réduire cette consommation d’énergie, améliorer les simulations et prédire plus facilement les effets du changement climatique sur des décennies, voire des milliers d’années.”