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1 高分辨地球系统模式的千核应用 普业, 李立娟中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室, 北京 摘要 : 本文综合回顾了国内外高分辨率地球系统模式在高性能计算机上的上千 CPU 核应用情况, 并对中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室研发的气候系统模式 FGOALS2.0 进行了上千核的测试, 结果表明 FGOALS2.0 已能使用上千 CPU 核进行计算, 但模式模拟效率需要进一步提高 本文阐述了高性能计算技术与地球系统模式发展间的相互促进作用, 指出了其中存在的技术问题, 展望了高性能计算技术对高分辨率地球系统模式发展的有力支持 关键词 : 高分辨率地球系统模式 ; 千核应用 ; 高性能计算 The Application of Thousands of CPU Cores in High Resolution Earth System Models (ESM) Pu Ye, Li Lijuan State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing , China Abstract: This study reviews the application of thousands of CPU cores in high resolution Earth System Models (ESM) and tests the performance of FGOALS2.0 developed by State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences(LASG/IAP/CAS) in High Performance Computing (HPC) cluster integrated with thousands of CPU cores. The results indicate the feasibility of integrating models with more than a thousand of CPU cores but the modeling rate still needs improving. This paper describes the mutual promotion of HPC and high resolution ESM on their technical advance, identifies the current technical problems, and discusses the prospects of using HPC technology to support high resolution ESM. Keywords: High resolution Earth system model; Application of thousands of CPU cores; HPC e-science 2010 年 11 月 69

2 e-science 应用 APPLICATION 1. 引言地球系统模拟是基于地球系统中的动力 物理 化学和生物过程, 通过数值模拟方法在高性能计算机上定量描述大气圈 水圈 冰雪圈 岩石圈和生物圈等的性状 演变规律和它们之间的相互作用, 预测地球系统未来演变的规律 [1] 近百年来, 全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化, 对生态和环境产生了严重影响 全球变暖也导致了极端天气与气候事件的频率与强度增加, 使得世界范围内气象灾害更频繁地出现, 我国尤其严重 为了防止生态环境的进一步恶化, 减少天气 气候灾害的损失, 必须深入研究全球变化的机制和原因, 并预测未来的变化趋势, 以便制订应对措施, 而这必须从了解各圈层之间繁复的相互作用出发 因此, 耦合各圈层的地球系统模式就成了全球变化研究的最重要的 不可替代的研究工具之一 同时地球系统模式是集成地学相关研究的重要平台 地球系统模式的出现是地球系统科学发展进程中的一个里程碑, 其发展水平及模拟能力的高低已成为衡量一个国家地学综合水平的重要标志 地球系统模式涉及的学科领域非常广泛, 不仅涵盖地球科学各领域, 而且与计算科学密切相关 [2] 2. 地球系统模式是高性能计算中的重要应用领域地球系统模式由大气 海 洋 陆面 海冰 大气化学 动态植被 生物过程等分量模式组成 为了进行地球系统模拟, 往往需要将地球系统模式积分几十年 几百年乃至上千年 为了保障模式在数值模拟过程中的计算稳定性和准确性, 所能选取的时间步长是较小的 针对不同的问题和不同的分辨率, 其时间步长可能是 1 小时 半小时甚至几分钟, 因此其计算步数非常多 此外, 为了保证计算的精度, 针对不同的研究对象, 模式可取的空间网格距可能是几百公里 几十公里甚至几公里, 其计算量十分巨大 [1] 为了模拟一些中小尺度过程, 模式的空间分辨率必须有所提高 例如海洋模式为了分辨中尺度涡旋过程, 需要把海洋模式水平分辨率提高到几十公里才能模拟其作用 [3] 随着分辨率的提高, 地球系统模式计算网格规模将上亿, 自由度上百亿, 必须使用上千 数千甚至数万 CPU 核的计算才能实现 因此, 地球系统模式是高性能计算中的重要应用领域 没有高性能计算技术的支持, 就不可能发展高分辨的地球系统模式 例如在政府间气候变化委员会 (IPCC) 气候评估报告的情景预测实验 AR4 [4] 中我国科学家自主研制的 FGOALS 模式 200 公里左右水平分辨率, 使用 32 个 CPU 进行一个模式年计算需要 10 个小时 在 IPCC AR5 中计划提高分辨率 3-5 倍, 计算量将增加 2~3 个量级, 而完成整个 IPCC AR5 所要求的评估试验, 整个模式系统需积 分 7500 个模式年以上 其中 CPU 核心试验就需要 2207 个模式年 如此巨大的计算量, 一方面需要超高性能计算机系统的支撑, 另一方面需要提高地球系统模式的加速比和可扩展性, 使其能够充分利用计算机资源, 能够使用上千 CPU 核的计算, 才能满足计算时效性要求 3. 国外地球系统在高性能计算中的应用国际上对地球系统模式发展高度重视 以美国 欧洲和日本为代表的发达国家和地区在气候系统模式的发展方面, 投入了大量的人力和财力, 并提出了围绕气候系统模式发展的各种研究计划 如美国国家大气研究中心 (NCAR) 在美国国家海洋和大气局 能源部 国家航空航天局等单位支持下于 2000 年提出 共同体气候系统模式发展计划 (CCSM) [5] 他们以高性能计算技术为基础, 建立了高效的气候系统模式 有多个计算中心为 NCAR 提供高性能计算资源 以美国国家能源科学研究计算中心为例, 它为地球系统模式提供了名为 Franklin 的 Cray XT4 超级计算系统 该计算系统拥有 9572 个计算节点, 每个节点具有 AMD 2.3GHz 4 核处理器和 8GB 内存, 共计 个处理器核和 78TB 内存 该系统理论峰值达到 352 万亿次 最新版本的 CCSM 4, 大气 陆面水平分辨率达到 , 70 e-science 2010 年 11 月

3 海洋 海冰模式水平分辨率达到 如图 1 所示,CCSM4 在多个平台下进行了测试, 其可使用 5000 多个 CPU 核进行计算, 平均每天能模拟 2 个模式年左右 [6] 在大气模式水平分辨率进一步提高达到 , 陆面过程水平分辨率达到 时,CCSM 4 能使用 5 万多个 CPU 核 Simulated years per wall-clock day Physical Processors 图 1 高分辨率 CCSM 模拟效率 Simulated Years/Day Aqua Planet Simulations NCPUS 图 2 高分辨率 CCSM 水球试验模拟效率 进行水球试验 图 2 为不同大气模式分辨率, 使用 5 万多个 CPU 核, CCSM 水球试验 1 天的模拟效率 可以看出最高分辨率 模式, 已能使用 5 万多个 CPU 核的进行计算, 在此条件下, 模式每天能模拟 6 个模式年左右 欧洲各国提出发展 欧洲地球系统模拟网络 (ENES), franklin-xt4 21[no l/o] kraken-xt4 20 [no l/o] kraken-xt5 21 [no l/o] ORNL XT4 0.5 ANL BGP 0.5 LLNL BGL 0.5 ORNL XT ANL BGP 0.25 LLNL BGL 0.25 ORNL XT LLNL BGL 下属 地球系统模拟集成 (PRISM) 和 气候资料存储与分发 两个计划 PRISM [7] 是 2000 年向欧盟提出, 并于 2001 年 12 月启动 来自欧洲各国的 22 个研究机构投入了该计划的研究和实施 计划的目标是建立一个方便使用的高效的欧洲全球气候模拟系统和超级计算机设备 (5-10 万亿次 ) 计划的一个特色是选用 10 个优秀的耦合气候模式进行集成模拟研究 PRISM 系统同时耦合了约 30 个分量模式, 大气模式选用了 :ARPEGE- Climat, ECHAM5, HIRHAM, LMDZ, RACMO, RCA, Unified Model atmosphere, HadRm3H 等 大气化学模式选用了 :INCA,KNMI_ TM,MOZART 等 陆面模式选用了 : ISBA,MOSES,ORCHIDEE,RCA_soil 等 海洋模式选用了 :C-HOPE, MICOM,MOM,HYCOM,OPA,RCO, Unified Model Ocean 等 海冰模式选用 :LIM,NERSC,RCI,UMI 等 海洋生物化学模式选用了 : HADOCC,PISCES,HAMOCC 模式等 [8] 欧盟的很多计算中心为其提供计算资源 以瑞典国家超级计算中心 (NSC) 为例, 该计算中心为地球系统模式提供了名为 Gimle 的集群系统 这个集群由 140 个 HP ProLiant DL160 G5 计算节点和 104 个 HP Proliant DL170 G6 计算节点组成, 共计 1952 个 CPU 核, 4.5TB 内存 理论峰值到达 20 万亿次 随着分辨率的提高很多分量模式都需要且已使用了上千 CPU 核进行计算 e-science 2010 年 11 月 71

4 e-science 应用 APPLICATION 日本在科学技术厅 日本原子能研究所 日本国家空间发展署 日本海洋科学技术中心 物理化学研究所等单位支持下启动了 地球模拟器 (Earth Simulator) 计划 [9], 该计划一方面于 2001 年研制成功当时世界上最快的 以 地球模拟器 命名的超级计算机系统,2002 年正式投入使用 ; 另一方面重点支持发展超高分辨率的气候系统模式, 在该超级计算机上再现真实的地球并预测未来的变化 通过与地球模拟器的结合, 在世界上首次实现了 T1270 L96 超高分辨率的全球大气模拟 ( 水平分辨率约 10 公里 10 公里 ) 当开通所有处理器 (640 个结点, 个处理器 ) 时, 执行性能 能够达到 太拉 FLOPS, 是理论峰值的 64.9% [10] 图 3 为地球模拟器 2006 年各领域运行性能, 可以看到地球科学模拟最多使用 500 多节点 4000 多 CPU 核进行计算 现在, 地球模拟器 2(Earth Simulator2) 已投入运行, 它具有 160 个计算节点,1280 个 CPU, 共计 20TB 内存, 理论峰值达到 131 万亿次 4. 国内地球系统模式的研究进展我国科学家已经在地球系统模式领域做了大量工作, 特别是通过近 30 年的努力, 在大气环流模式 海洋环流模式 陆面过程模式的发展及其耦合等领域取 得了令人瞩目的成绩, 参与了政府间气候变化委员会 (IPCC) 历次气候评估报告的情景预测实验和各种国际模式比较计划, 使我国成为近 20 年来唯一有能力发展自己的地球系统模式的发展中国家 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 ( 英文缩写 LASG) 通过自主创新和 引进 理解 应用 改进 相结合, 致力于气候模式的自主设计和可持续发展, 现有 灵活的 气候系统模式 FGOALS(Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model) 就是在原有模式 GOALS 的基础上, 利用自主研发的大气环流模式 海洋环流模式和海冰模 Highest Performance Program of Each Project Earth Science Computer Science Epoch-making Simulation *1 *2 TFLOPS CREST Peak Performance Performance Average(31.9%) *1 Projectfor Sustainable Coexistence for Human, Nature and the Earth *2 Program for Strategic Use of Advanced Large scale Reserach Facilities Fiscal 2006 JAMSTEC 图 年地球模拟器各领域运行性能 72 e-science 2010 年 11 月

5 式以及一个从美国国家大气研究中心 (NCAR) 引进的陆面过程模式, 通过 NACR 的通量耦合器实现它们的自然耦合而发展起来的, 已广泛应用于过去气候再现 未来气候预测和预估 气候系统中能量水分循环 陆地生态过程等热点科学问题的研究, 积极参与了一系列国际模式比较计划, 为 973 等重大研究计划提供了重要的数值模拟平台, 为扩大中国在本领域的国际影响做出了贡献 [11] 在气候系统模式 FGOALS 的基础上,LASG/IAP 学者通过和兄弟实验室的合作, 已经成功耦合了 VEGAS 动态植被模块和 IAP_OBM 海洋生物模块, 使得 FGOALS 拥有了完整的碳循环过程, 形成地球系统模式的初始版本 FGOALS2.0 模式提高了模式的分辨率 格点大气分量模式 ( 包括陆面过程分量模式 ) 的分辨率从 提高到目前的 1 1, 海洋分量模式的分辨率在热带地区从 1 1 提高到 中国科学院大气物理研究所 LASG 实验室拥有峰值达到 20 万亿次的 HP 高性能集群系统 该系统由 272 个计算节点 5 个 IO 节点 2 个登录节点 及一个管理节点组成 其中, 每个计算节点拥有 2 个 Intel E G 的 4 核 CPU 和 24GB 内存, 计算节点间使用高速 InfiniBand 网络连接 我们对 FGOALS2.0 在该 HP cluster 进行了上千 CPU 核的模拟测试 在 FGOALS2.0 各分量模式中, 分辨率提高主要体现在大气分量模 式 GAMIL 上, 这使得它计算量最效率, 以满足科学试验的要求 大, 耗时最长 我们针对 GAMIL 表 1 对比了上述讨论的各个地使用 MPI 和 OPenMP 混合的方式重球系统模式上千 CPU 核的使用情新设计了 GAMIL 的并行结构, 使况 可以看到, 国内外地球系统 GAMIL 最大能使用 720 核 根据低模式已能在高性能计算机上使用分辨 FGOALS 各分量模式运行的配上千 数千甚至数万 CPU 核进行置情况估计了各分量模式的计算计算 量, 按比例增加了各分量模式的计算核数, 并进行调试 最终, 5. 总结和未来展望 FGOALS2.0 共使用 1296 个 CPU 核, 其中 1 1 大气分量模式 GAMIL 使地球系统模式是一种典型的用 720 核, 海洋分量模式 LICOM 使高性能计算应用 随着模式分辨用 200 核, 陆面分量模式使用 128 率的提高, 地球系统模式在高性能核, 海冰分量模式使用 120 核, 耦计算机上使用了上千 CPU 核 数千合器 CPL 使用 128 核 模拟结果如 CPU 核甚至数万 CPU 核进行计算 高图 4 所示 性能计算机及其技术的发展为高分从图 4 可看出高分辨率辨率地球系统模式的发展提供了基 FGOALS2.0 已能使用上千 CPU 核进础, 同时高分辨率地球系统模式的行计算 模式运行一天能模拟 1 发展, 也为高性能计算技术提出了个模式年, 程序模拟效率不是很需求, 带来了挑战 高, 这对完成 IPCC AR5 评估试验地球系统模式的各分量模带来了挑战 因此,FGOALS2.0 模式, 均通过 串行模式并行化 式需要进一步改进算法并进行调的传统技术途径来实现其并行计试和优化, 从而提高模式的模拟算, 它们并行效率较差, 模块化 Simulated years Years CPU Numbers 图 4 高分辨率 FGOALS2.0 模拟效率 e-science 2010 年 11 月 73

6 e-science 应用 APPLICATION 表 1 各个地球系统模式上千 CPU 核的使用情况 地球系统模式 CPU 核数 ( 个数 ) 模拟效率 ( 年 / 天 ) CCSM ( 美国 ) 5000 多 2 CCSM ( 美国 ) 多 6 Earth Simulator( 日本 ) 4000 多 FGOALS ( 中国 ) 程度较低, 较难通过传统的技术 亟待解决的一个重大技术问题 [1] 改造直接扩展到数千至数万个 CPU 在未来的发展中, 根据我 核 因此, 如何在百万至千万亿次 国地球系统模式发展对高性能科 高性能计算机上使用数千至数万 学计算的迫切需求, 针对其存在 CPU 核来运行地球系统模式是当前 的问题, 以提高模式分辨率 计 算效率 计算稳定性以及模式用户使用的友好性为目标, 我国科学家将研究地球系统模式的高效并行算法并形成框架, 建立具有我国自主知识产权的耦合器, 并将创新的高性能算法和软件实现技术应用于地球系统模式的开发中, 以大幅降低模式研制难度, 显著缩短模式开发周期, 这将为地球系统模式发展提供强有力的支持 参考文献 : [1] 王斌. 一种典型的高性能计算 : 地球系统模拟 [J]. 高性能计算发展与应用, 2009, 29(4): [2] 王斌, 周天军, 俞永强, 等. 地球系统模式发展展望 [J]. 气象学报 2008,66(6): [3] ( 美 ) 海德沃格尔著, 王东晓, 等译. 海洋环流数值模拟 [M]. 北京 : 气象出版社. [4] [5] [6] Mariana Vertenstein, CCSM-A Flexible New Infrastructure for Earth System Modeling [R/OL] [ ] sea.ucar.edu/event/ccsm4-flexible-new-infrastructureearth-system-modeling. [7] [8] Sophie Valcke, Eric Guilyardi, Claes Larsson, PRISM and ENES: a European approach to Earth system modeling [J] Concurrency Computat.: Pract.Exper. 2006, 18: [9 ] [10] 陈春, 张志强, 林海. 地球模拟器及其模拟研究进展 [J]. 地球科学进展 2005, 20(10): [11] 气候系统模式研发和应用 [R/OL]. [ ] asp?articleid= e-science 2010 年 11 月

7 收稿时间 :2010 年 6 月 29 日 资助课题 : 中国科学院 十一五 信息化专项 超级计算环境建设与应用 (INFO-115-B01) 中国科学院大气物理研究所 LASG 自由探索项目 财政部 / 科技部公益性行业 ( 气象 ) 科研专项 (GYHY ) (GYHY ) (GYHY ) 作者信息 普业 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室, 助理研究员 主要研究方向为数值模拟, 高性能并行计算 李立娟 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室, 副研究员 主要研究方向为大气模式发展与评估 e-science 2010 年 11 月 75

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