Nuvole – foto illustrativa. Credito immagine: Pixabay (licenza gratuita Pixabay)
Il team di ricerca ha utilizzato Frontier, il supercomputer HPE Cray EX da 1,14 exaflop presso l’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia, per raggiungere velocità record nella modellazione delle formazioni nuvolose in tutto il mondo in 3D. La potenza computazionale di Frontier, il computer più veloce del mondo, riduce il lavoro di anni in giorni per portare a portata di mano stime dettagliate delle conseguenze a lungo termine dei cambiamenti climatici e delle condizioni meteorologiche estreme.
“Questo è il nuovo gold standard per la modellizzazione climatica”, ha affermato Mark Taylor, illustre scienziato dei Sandia National Laboratories e autore principale dello studio. “L’architettura informatica unica di Frontier rende possibili cose che prima non potevamo fare.”
Lo studio è valso al team una nomination come finalista per l’Association of Computing Machinery Premio speciale Gordon Bell per la modellistica climatica. Il premio verrà consegnato quest’anno Conferenza internazionale su calcolo, reti, archiviazione e analisi ad alte prestazionio SC23, a Denver, dove la squadra presenterà i risultati il 15 novembre.
Misurare il probabile impatto di un clima in riscaldamento sui cicli dell’acqua globali e regionali rappresenta una delle principali sfide nella previsione dei cambiamenti climatici. Gli scienziati hanno bisogno di modelli climatici che coprano decenni – almeno 40 anni – e includano condizioni atmosferiche, oceaniche e del ghiaccio dettagliate per fare previsioni utili.
Ma i modelli 3D in grado di risolvere le complicate interazioni tra questi elementi, in particolare il movimento convettivo e agitato dietro la formazione delle nuvole, sono rimasti costosi dal punto di vista computazionale, lasciando le simulazioni sulla lunghezza del clima fuori dalla portata anche dei supercomputer più grandi e potenti – fino ad ora.
La potenza exascale di Frontier consente al progetto Energy, Exascale and Earth System Model-Multiscale Modeling Framework – o E3SM-MMF – di eseguire anni di simulazioni climatiche a velocità e scala senza precedenti. Crediti: Mark Taylor/Sandia National Laboratories, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
Il progetto Energy Exascale Earth System Model, o E3SM, supera questi ostacoli combinando un nuovo approccio software con un enorme throughput exascale per consentire simulazioni climatiche che funzionano a velocità e scala senza precedenti. Il modello di atmosfera E3SM Simple Cloud-Resolving, o SCREAM, si concentra sulle formazioni nuvolose come parte del progetto complessivo.
“È stato a lungo un sogno per la comunità dei modelli climatici eseguire modelli su scala chilometrica a una velocità sufficiente per facilitare le previsioni nell’arco di decenni, e ora questo è diventato realtà”, ha affermato Sarat Sreepathi, coautore dello studio e ORNL. coordinatore delle prestazioni del progetto. “Questo tipo di simulazioni erano abbastanza impegnative dal punto di vista computazionale da giustificare un supercomputer exascala. Senza Frontiera, ciò non accadrebbe”.
Peter Caldwell, uno scienziato del clima presso il Lawrence Livermore National Laboratory, e il suo team hanno trascorso gli ultimi cinque anni costruendo da zero un nuovo modello di cloud destinato a funzionare sulle unità di elaborazione grafica, o GPU, che alimentano Frontier e altri importanti supercomputer.
“La maggior parte dei modelli climatici e meteorologici faticano a trarre vantaggio dalle GPU”, ha affermato Caldwell. “SCREAM è di enorme interesse per altri centri di modellismo in quanto esempio riuscito di come effettuare questa transizione”.
HPE, il produttore di Frontier, ha contribuito allo sforzo di ottimizzazione attraverso il Frontier Center of Excellence presso l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, che ospita Frontier.
“La base di codice portabile in termini di prestazioni di SCREAM ci ha offerto un ottimo punto di vantaggio per l’implementazione anticipata su Frontier e ulteriori ottimizzazioni hanno migliorato le nostre prestazioni computazionali”, ha affermato Sreepathi. “Lo sforzo complessivo è un bell’esempio di collaborazione interdisciplinare tra scienziati del clima e informatici”.
L’adattamento del codice per l’esecuzione su GPU ha portato enormi miglioramenti in termini di prestazioni. SCREAM può funzionare su 8.192 nodi di Frontier per simulare più di un anno di formazioni nuvolose globali – 1,25 anni in totale – in una singola corsa di 24 ore, un’impresa oltre la portata di qualsiasi macchina precedente.
“Ciò significa che queste simulazioni a lungo termine di 30 o 40 anni sono ora realizzabili nel giro di poche settimane”, ha affermato Sreepathi. “Prima era praticamente irrealizzabile”.
Le simulazioni con una risoluzione di 3 chilometri consentono un livello di dettaglio che consente ai ricercatori di sovrapporre i risultati alle immagini satellitari per il confronto.
“La somiglianza è sorprendente”, ha detto Taylor. “Questo tipo di risoluzione e scala ci consentono di prevedere l’impatto del cambiamento climatico su eventi meteorologici gravi, sulle forniture di acqua dolce, sulla produzione di energia”.
Sreepathi ha affermato di aspettarsi ulteriori storie di successo su Frontier e sulla prossima generazione di supercomputer exascale.
“Vogliamo ottenere risoluzioni ancora più elevate e accoppiare il modello atmosferico con altri componenti del sistema terrestre come i dati oceanografici per una visione olistica”, ha affermato. “Grazie al lavoro che abbiamo svolto, SCREAM è portabile su diverse architetture di computer – non solo quelle di Frontier – quindi siamo ben posizionati per sfruttare non solo le macchine exascale attuali ma anche quelle future”.
Il supporto per questa ricerca è venuto dall’Exascale Computing Project, uno sforzo di collaborazione del DOE Office of Science e della National Nuclear Security Administration, del programma di ricerca biologica e ambientale del DOE Office of Science e del programma di ricerca informatica avanzata scientifica del DOE Office of Science. L’OLCF è una struttura utente del DOE Office of Science.
L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Office of Science del DOE, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Ufficio scientifico del DOE sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni visita Energy.gov/science.
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