La ricerca climatica ha fatto un passo avanti significativo grazie allo sviluppo di un nuovo algoritmo risolutore per il modello MPAS-Ocean, che riduce il tempo di calcolo e aumenta l’accuratezza delle previsioni. Questa innovazione, che integra la programmazione in Fortran e C++, rappresenta un progresso nell’efficienza e nell’affidabilità della modellazione climatica.
Una svolta nella modellazione degli oceani
Le onde oceaniche, oltre a essere un piacevole sottofondo sonoro sulle spiagge, svolgono un ruolo cruciale nella previsione del tempo e nella ricerca climatica. L’oceano, insieme all’atmosfera, è uno dei componenti più grandi e computazionalmente impegnativi dei modelli del sistema terrestre, come il Modello del Sistema Terrestre a Exascale del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, o E3SM.
Una nuova frontiera nella modellazione oceanica
I modelli oceanici moderni si concentrano principalmente su due tipi di onde: un sistema barotropico, con una velocità di propagazione rapida, e un sistema baroclinico, con una velocità di propagazione lenta. Per affrontare la sfida di simulare questi due modi contemporaneamente, un team dei laboratori nazionali di Oak Ridge, Los Alamos e Sandia ha sviluppato un nuovo algoritmo risolutore che riduce del 45% il tempo totale di esecuzione del modello MPAS-Ocean, il modello di circolazione oceanica di E3SM.
Test e risultati
I ricercatori hanno testato il loro software sui supercomputer Summit presso il Oak Ridge Leadership Computing Facility, un impianto utente dell’Ufficio di Scienza del DOE, 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. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista International Journal of High Performance Computing Applications.
Innovazioni nel calcolo per la modellazione climatica
Le innovazioni nel campo del calcolo stanno aprendo nuove frontiere nella modellazione climatica, permettendo di affrontare problemi scientifici complessi con maggiore efficienza.
Integrazione di linguaggi di programmazione
Trilinos, un database di software open-source ideale per risolvere problemi scientifici su supercomputer, è scritto in linguaggio di programmazione C++, mentre i modelli del sistema terrestre come E3SM sono tipicamente scritti in Fortran. Il team ha sfruttato ForTrilinos, una libreria software correlata che incorpora interfacce Fortran in pacchetti C++ esistenti, per progettare e personalizzare il nuovo risolutore, che si concentra sulle onde barotropiche.
Miglioramenti in MPAS-Ocean
Questo lavoro si basa sui risultati di ricerche pubblicate in precedenza, in cui i ricercatori di ORNL e Los Alamos National Laboratory hanno prodotto un codice per migliorare MPAS-Ocean. Il risolutore abilitato da ForTrilinos ha superato gli svantaggi del risolutore dello studio precedente, specialmente quando MPAS-Ocean viene eseguito con un numero ridotto di core di calcolo per una data dimensione del problema.
Prospettive future e impatti
Sebbene l’attuale risolutore presenti ancora limitazioni di scalabilità sui sistemi di calcolo ad alte prestazioni, si comporta eccezionalmente bene fino a un certo numero di processori. Questo svantaggio esiste perché il metodo semi-implicito richiede che tutti i processori si comunichino tra loro almeno 10 volte per ogni passo temporale, il che può rallentare le prestazioni del modello. Per superare questo ostacolo, i ricercatori stanno ottimizzando le comunicazioni tra i processori e trasferendo il risolutore su 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, affidabili e accurate, miglioramenti essenziali per garantire la sicurezza climatica e consentire la presa di decisioni tempestive e proiezioni ad alta risoluzione.
Il risolutore della modalità barotropica consente un calcolo più rapido e un’integrazione più stabile dei modelli, in particolare MPAS-Ocean. L’uso estensivo delle risorse computazionali richiede una grande quantità di elettricità ed energia, ma accelerando questo modello possiamo ridurre quel consumo energetico, migliorare le simulazioni e prevedere più facilmente gli effetti dei cambiamenti climatici nei decenni o addirittura migliaia di anni a venire.
