A ilustração mostra as correntes superficiais oceânicas simuladas pelo MPAS-Ocean. Crédito: Laboratório Nacional de Los Alamos, E3SM, Departamento de Energia dos EUA
Um novo algoritmo de resolução para o modelo MPAS-Oceano melhora significativamente a investigação climática, reduzindo o tempo computacional e melhorando precisão. Este avanço, integrando a programação Fortran e C++, é um passo em frente na modelagem climática eficiente e confiável.
Na praia, as ondas do mar proporcionam um ruído branco suave. Mas nos laboratórios científicos, desempenham um papel fundamental na previsão do tempo e na investigação climática. Junto com a atmosfera, o oceano é normalmente um dos maiores e mais exigentes componentes computacionais dos modelos de sistemas terrestres, como o Modelo de Sistema Terrestre Exascale de Energia do Departamento de Energia, ou E3SM.
Avanço na modelagem oceânica
A maioria dos modelos oceânicos modernos concentra-se em duas categorias de ondas: um sistema barotrópico, que possui uma velocidade de propagação de ondas rápida, e um sistema baroclínico, que possui uma velocidade de propagação de ondas lenta. Para ajudar a enfrentar o desafio de simular esses dois modos simultaneamente, uma equipe dos Laboratórios Nacionais Oak Ridge, Los Alamos e Sandia do DOE desenvolveu um novo algoritmo de resolução que reduz o tempo total de execução do Modelo para Predição em Escalas Oceânicas, ou MPAS -Oceano, modelo de circulação oceânica do E3SM, em 45%.
Os pesquisadores testaram seu software no supercomputador Summit no Oak Ridge Leadership Computing Facility do ORNL, uma instalação de usuário do DOE Office of Science, e no supercomputador Compy no Pacific Northwest National Laboratory. Eles executaram suas simulações primárias nos supercomputadores Cori e Perlmutter no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, e seus resultados foram publicados no Jornal Internacional de Aplicação de Computação de Alto DesempenhoS.
Inovações em computação para modelagem climática
Como o Trilinos, um banco de dados de software de código aberto ideal para resolver problemas científicos em supercomputadores, é escrito na linguagem de programação C++ e os modelos de sistemas terrestres como o E3SM são normalmente escritos em Fortran, a equipe aproveitou o ForTrilinos, uma biblioteca de software relacionada que incorpora O Fortran faz interface com pacotes C++ existentes para projetar e personalizar o novo solucionador, que se concentra em ondas barotrópicas.
“Um recurso útil dessa interface é que podemos usar todos os componentes do pacote C++ na linguagem Fortran, então não precisamos traduzir nada, o que é muito conveniente”, disse o autor principal Hyun Kang, cientista de sistemas computacionais da Terra na ORNL.
Melhorias no MPAS-Oceano
Este trabalho baseia-se em resultados de pesquisas publicadas em um artigo anterior Jornal de avanços na modelagem de sistemas terrestres artigo no qual pesquisadores do ORNL e do Laboratório Nacional de Los Alamos produziram manualmente um código para melhorar o MPAS-Ocean. Agora, o solucionador habilitado para ForTrilinos superou as desvantagens restantes do solucionador do estudo anterior, especialmente quando os usuários executam o MPAS-Ocean usando um pequeno número de núcleos de computação para um determinado tamanho de problema.
O solucionador padrão do MPAS-Ocean depende de subciling explícito, uma técnica que usa muitos intervalos de tempo pequenos, ou etapas de tempo, para calcular as características das ondas barotrópicas em conjunto com cálculos baroclínicos sem desestabilizar o modelo. Se uma onda baroclínica e uma onda barotrópica puderem ser avançadas com intervalos de tempo de 300 segundos e 15 segundos, respectivamente, o cálculo barotrópico precisará completar 20 vezes mais iterações para manter a mesma velocidade, o que exige uma enorme quantidade de poder de computação.
Em contraste, o novo solucionador para o sistema barotrópico é semi-implícito, o que significa que é incondicionalmente estável e, portanto, permite que os pesquisadores usem o mesmo número de grandes passos de tempo sem sacrificar a precisão, economizando quantidades significativas de tempo e poder de computação.
Uma comunidade de desenvolvedores de software passou anos otimizando diversas aplicações climáticas em Trilinos e Fortrilinos, de modo que o mais recente solucionador MPAS-Ocean que aproveita esse recurso supera o solucionador artesanal, permitindo que outros cientistas acelerem seus esforços de pesquisa climática.
“Se tivéssemos que codificar individualmente cada algoritmo, isso exigiria muito mais esforço e experiência”, disse Kang. “Mas com este software, podemos executar simulações imediatamente em velocidades mais rápidas, incorporando algoritmos otimizados em nosso programa.”
Melhorias e impactos futuros
Embora o solucionador atual ainda tenha limitações de escalabilidade em sistemas de computação de alto desempenho, ele funciona excepcionalmente bem até um certo número de processadores. Esta desvantagem existe porque o método semi-implícito exige que todos os processadores se comuniquem entre si pelo menos 10 vezes por intervalo de tempo, o que pode diminuir o desempenho do modelo. Para superar esse obstáculo, os pesquisadores estão atualmente otimizando as comunicações do processador e portando o solucionador para GPUs.
Além disso, a equipe atualizou o método de intervalo de tempo do sistema baroclínico para melhorar ainda mais a eficiência do MPAS-Ocean. Através destes avanços, os investigadores pretendem tornar as previsões climáticas mais rápidas, mais fiáveis e mais precisas, que são atualizações essenciais para garantir a segurança climática e permitir a tomada de decisões atempadas e projeções de alta resolução.
“Este solucionador de modo barotrópico permite computação mais rápida e integração mais estável de modelos, especialmente MPAS-Ocean”, disse Kang. “O uso extensivo de recursos computacionais requer uma enorme quantidade de eletricidade e energia, mas ao acelerar este modelo podemos reduzir esse uso de energia, melhorar as simulações e prever mais facilmente os efeitos das alterações climáticas décadas ou mesmo milhares de anos no futuro.”
Esta pesquisa foi apoiada pelo E3SM e pelo Exascale Computing Project, ou ECP. O E3SM é patrocinado pelo programa de Pesquisa Biológica e Ambiental do Office of Science do DOE, e o ECP é administrado pelo DOE e pela Administração Nacional de Segurança Nuclear. O programa de Pesquisa em Computação Científica Avançada no Office of Science do DOE financia OLCF e NERSC.
