面向異構系統(tǒng)的大氣模式并行優(yōu)化方法研究
發(fā)布時間：2021-09-04 04:32
近年來,全球氣候變化和頻發(fā)的極端天氣現(xiàn)象對人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了日益增長的威脅。大氣數(shù)值模擬作為天氣與氣候研究的基本建模方法,對于氣象預報和氣候研究都起到了關鍵的作用。自第一臺超級計算機部署以來,大氣模式一直是超級計算機上的重要用戶。隨著模擬程序在模式精度、預報尺度、數(shù)據(jù)同化要求等維度的需求日益增長,大氣模擬對超級計算機算力提出了更高的要求。大氣模式經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,在由通用處理器構成的同構系統(tǒng)上已經(jīng)有了成熟的并行方案。由于散熱與功耗等諸多物理限制,基于通用CPU芯片的同構超級計算機已經(jīng)無法滿足性能增長的需求,基于眾核處理器的異構超級計算機近年來得到了顯著的發(fā)展。根據(jù)2018年11月發(fā)布的超級計算機Top500性能排行榜,目前世界上最快的七臺超級計算機均采用了異構系統(tǒng),其中眾核處理器貢獻了90%以上的算力。因此,探究大氣模式在異構系統(tǒng)上的加速工作的需求十分緊迫。該工作從大氣模式算子、核心模塊算法及完整模式模擬三個層面出發(fā),基于目前在全球最快的三臺超級計算機中應用的三大類處理器（POWER CPU,Nvidia GPU,神威處理器）,對于大氣模式在異構系統(tǒng)上的優(yōu)化提出了系統(tǒng)化的解決方案。本...
【文章來源】：清華大學北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：129 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
近25年來國際超級計算機計算能力發(fā)展狀況及趨勢（統(tǒng)計數(shù)據(jù)截止2018年11月，圖片數(shù)據(jù)源于超級計算機性能排行榜（Top500）官方網(wǎng)站[3]）
第2章研究現(xiàn)狀分析第2章研究現(xiàn)狀分析2.1基于同構超級計算機的大氣方程并行優(yōu)化氣候變化所導致的全球變暖，極端天氣頻發(fā)等現(xiàn)象已成為制約人類生產(chǎn)生活，限制國民經(jīng)濟增長的重要問題。作為氣候建模研究的關鍵組成部分之一，大氣模擬在高性能計算中備受關注，研究更準確、更高效的大氣模式以應對重大氣候問題的挑戰(zhàn)，一直以來是世界各國在科學計算領域所面對的最為重要的研究方向之一[31–33]。自第一代超級計算機誕生以來，大氣模式一直是超級計算機的最為主要的用戶之一，且需求隨著超級計算機的發(fā)展不斷演進[34]。在向量機時代，氣候模式已經(jīng)廣泛被部署到了諸如Cary1，CrayX-MP以及日本地球模擬器（EarthSimulator）上[35]。上世紀90年代起，隨著多核系統(tǒng)逐漸取代向量機成為超級計算機構建的主流，大氣模式程序的構建開始以面向多核處理器為導向。諸如美國國家大氣研究中心研發(fā)的社區(qū)地球系統(tǒng)模式（CommunityEarthSystemModel，CESM）[17]，天氣預報模式（WeatherResearchandForecastingModel，WRF）[19]，日本Satoh等人開發(fā)的非靜力二十面體大氣模式（NonhydrostaticIscosahedralAtmosphericModel，NICAM）[36]等全球或區(qū)域模式均是其中優(yōu)秀的代表。伴隨著處理器內核數(shù)目的增加，基于MPI與OpenMP等并行方式的程序被引入到以上大氣模式代碼中，以充分利用硬件性能。圖2.150年間德國氣象服務中心超級計算機計算能力變遷[37]。9
第2章研究現(xiàn)狀分析核心），在雙精度下保持7.95Pflops的總體性能，并在488米水平分辨率下實現(xiàn)快速準確的大氣模擬（超過770億個未知量），模擬速度達到每天0.07個模擬年。據(jù)我們所知，這是迄今為止最大的完全隱式模擬。這項工作也獲得了2016年ACM戈登貝爾獎�；谖锢聿糠峙c動力框架部分的優(yōu)化基礎，近年來針對模式整體的異構優(yōu)化工作已經(jīng)有部分成果。2016年初，瑞士氣象局異構超級計算機投入運營。該超級計算機由24個節(jié)點構成，每個節(jié)點中有2塊IntelXeonCPU以及8塊NvidiaTeslaK80GPU，節(jié)點間使用Infiniband網(wǎng)絡高速互連。在超級計算機中，GPU部分提供了超過90%的計算能力。瑞士氣象局的科研工作者將COSMO區(qū)域模式算法[44]在其上進行了部署，通過充分利用異構計算機的硬件架構以及針對架構做出的算法調優(yōu)，以1.3倍的硬件計算能力完成了40倍的模擬速度需求，為其他國家氣象機構提供了一個很好的范例。圖2.2瑞士氣象局通過軟件調優(yōu)與平臺移植平衡計算能力與模式分辨率的需求[25]新一代COSMO模式算法[25]相比于上一代大氣模式程序，主要的性能需求來自于數(shù)據(jù)同化、多模式集合、分辨率提升三個方面。在加速實現(xiàn)上，瑞士氣象局對于大氣模擬領域專家與計算機科學家進行了明確的分工，針對最新的硬件架構模型，大氣領域專家針對物理模型的數(shù)學實現(xiàn)、算法描述以及代碼實現(xiàn)進行了相應的調整，而計算機工程師將初始的代碼實現(xiàn)部署到最新的硬件架構上并進行了卓有成效的調優(yōu)工作。通過兩方的緊密協(xié)作與溝通，圓滿地完成了預期目標，并提煉出了基于新型架構的模式開發(fā)的幾點注意事項：首先，軟件算法應當盡可能地減少通訊與同步，盡量不要采用Fork-Join模式并盡可能避免算法中的通信操作。14
【參考文獻】：
期刊論文
[1]The Sunway Taihu Light supercomputer:system and applications[J]. Haohuan FU,Junfeng LIAO,Jinzhe YANG,Lanning WANG,Zhenya SONG,Xiaomeng HUANG,Chao YANG,Wei XUE,Fangfang LIU,Fangli QIAO,Wei ZHAO,Xunqiang YIN,Chaofeng HOU,Chenglong ZHANG,Wei GE,Jian ZHANG,Yangang WANG,Chunbo ZHOU,Guangwen YANG. Science China（Information Sciences）. 2016(07)
[2]The TianHe-1A Supercomputer: Its Hardware and Software[J]. 楊學軍,廖湘科,盧凱,胡慶豐,宋君強,蘇金樹. Journal of Computer Science & Technology. 2011(03)
本文編號：3382567
【文章來源】：清華大學北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：129 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
近25年來國際超級計算機計算能力發(fā)展狀況及趨勢（統(tǒng)計數(shù)據(jù)截止2018年11月，圖片數(shù)據(jù)源于超級計算機性能排行榜（Top500）官方網(wǎng)站[3]）
第2章研究現(xiàn)狀分析第2章研究現(xiàn)狀分析2.1基于同構超級計算機的大氣方程并行優(yōu)化氣候變化所導致的全球變暖，極端天氣頻發(fā)等現(xiàn)象已成為制約人類生產(chǎn)生活，限制國民經(jīng)濟增長的重要問題。作為氣候建模研究的關鍵組成部分之一，大氣模擬在高性能計算中備受關注，研究更準確、更高效的大氣模式以應對重大氣候問題的挑戰(zhàn)，一直以來是世界各國在科學計算領域所面對的最為重要的研究方向之一[31–33]。自第一代超級計算機誕生以來，大氣模式一直是超級計算機的最為主要的用戶之一，且需求隨著超級計算機的發(fā)展不斷演進[34]。在向量機時代，氣候模式已經(jīng)廣泛被部署到了諸如Cary1，CrayX-MP以及日本地球模擬器（EarthSimulator）上[35]。上世紀90年代起，隨著多核系統(tǒng)逐漸取代向量機成為超級計算機構建的主流，大氣模式程序的構建開始以面向多核處理器為導向。諸如美國國家大氣研究中心研發(fā)的社區(qū)地球系統(tǒng)模式（CommunityEarthSystemModel，CESM）[17]，天氣預報模式（WeatherResearchandForecastingModel，WRF）[19]，日本Satoh等人開發(fā)的非靜力二十面體大氣模式（NonhydrostaticIscosahedralAtmosphericModel，NICAM）[36]等全球或區(qū)域模式均是其中優(yōu)秀的代表。伴隨著處理器內核數(shù)目的增加，基于MPI與OpenMP等并行方式的程序被引入到以上大氣模式代碼中，以充分利用硬件性能。圖2.150年間德國氣象服務中心超級計算機計算能力變遷[37]。9
第2章研究現(xiàn)狀分析核心），在雙精度下保持7.95Pflops的總體性能，并在488米水平分辨率下實現(xiàn)快速準確的大氣模擬（超過770億個未知量），模擬速度達到每天0.07個模擬年。據(jù)我們所知，這是迄今為止最大的完全隱式模擬。這項工作也獲得了2016年ACM戈登貝爾獎�；谖锢聿糠峙c動力框架部分的優(yōu)化基礎，近年來針對模式整體的異構優(yōu)化工作已經(jīng)有部分成果。2016年初，瑞士氣象局異構超級計算機投入運營。該超級計算機由24個節(jié)點構成，每個節(jié)點中有2塊IntelXeonCPU以及8塊NvidiaTeslaK80GPU，節(jié)點間使用Infiniband網(wǎng)絡高速互連。在超級計算機中，GPU部分提供了超過90%的計算能力。瑞士氣象局的科研工作者將COSMO區(qū)域模式算法[44]在其上進行了部署，通過充分利用異構計算機的硬件架構以及針對架構做出的算法調優(yōu)，以1.3倍的硬件計算能力完成了40倍的模擬速度需求，為其他國家氣象機構提供了一個很好的范例。圖2.2瑞士氣象局通過軟件調優(yōu)與平臺移植平衡計算能力與模式分辨率的需求[25]新一代COSMO模式算法[25]相比于上一代大氣模式程序，主要的性能需求來自于數(shù)據(jù)同化、多模式集合、分辨率提升三個方面。在加速實現(xiàn)上，瑞士氣象局對于大氣模擬領域專家與計算機科學家進行了明確的分工，針對最新的硬件架構模型，大氣領域專家針對物理模型的數(shù)學實現(xiàn)、算法描述以及代碼實現(xiàn)進行了相應的調整，而計算機工程師將初始的代碼實現(xiàn)部署到最新的硬件架構上并進行了卓有成效的調優(yōu)工作。通過兩方的緊密協(xié)作與溝通，圓滿地完成了預期目標，并提煉出了基于新型架構的模式開發(fā)的幾點注意事項：首先，軟件算法應當盡可能地減少通訊與同步，盡量不要采用Fork-Join模式并盡可能避免算法中的通信操作。14
【參考文獻】：
期刊論文
[1]The Sunway Taihu Light supercomputer:system and applications[J]. Haohuan FU,Junfeng LIAO,Jinzhe YANG,Lanning WANG,Zhenya SONG,Xiaomeng HUANG,Chao YANG,Wei XUE,Fangfang LIU,Fangli QIAO,Wei ZHAO,Xunqiang YIN,Chaofeng HOU,Chenglong ZHANG,Wei GE,Jian ZHANG,Yangang WANG,Chunbo ZHOU,Guangwen YANG. Science China（Information Sciences）. 2016(07)
[2]The TianHe-1A Supercomputer: Its Hardware and Software[J]. 楊學軍,廖湘科,盧凱,胡慶豐,宋君強,蘇金樹. Journal of Computer Science & Technology. 2011(03)
本文編號：3382567
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