近年來(lái),全球氣候變化和頻發(fā)的極端天氣現(xiàn)象對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了日益增長(zhǎng)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(duì)于氣象預(yù)報(bào)和氣候研究都起到了關(guān)鍵的作用。自第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)部署以來(lái),大氣模式一直是超級(jí)計(jì)算機(jī)上的重要用戶。隨著模擬程序在模式精度、預(yù)報(bào)尺度、數(shù)據(jù)同化要求等維度的需求日益增長(zhǎng),大氣模擬對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)算力提出了更高的要求。大氣模式經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,在由通用處理器構(gòu)成的同構(gòu)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(gòu)超級(jí)計(jì)算機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足性能增長(zhǎng)的需求,基于眾核處理器的異構(gòu)超級(jí)計(jì)算機(jī)近年來(lái)得到了顯著的發(fā)展。根據(jù)2018年11月發(fā)布的超級(jí)計(jì)算機(jī)Top500性能排行榜,目前世界上最快的七臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)均采用了異構(gòu)系統(tǒng),其中眾核處理器貢獻(xiàn)了90%以上的算力。因此,探究大氣模式在異構(gòu)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(gè)層面出發(fā),基于目前在全球最快的三臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)中應(yīng)用的三大類(lèi)處理器（POWER CPU,Nvidia GPU,神威處理器）,對(duì)于大氣模式在異構(gòu)系統(tǒng)上的優(yōu)化提出了系統(tǒng)化的解決方案。本... 

【文章來(lái)源】：清華大學(xué)北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

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近25年來(lái)國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)截止2018年11月，圖片數(shù)據(jù)源于超級(jí)計(jì)算機(jī)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(gòu)超級(jí)計(jì)算機(jī)的大氣方程并行優(yōu)化氣候變化所導(dǎo)致的全球變暖，極端天氣頻發(fā)等現(xiàn)象已成為制約人類(lèi)生產(chǎn)生活，限制國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要問(wèn)題。作為氣候建模研究的關(guān)鍵組成部分之一，大氣模擬在高性能計(jì)算中備受關(guān)注，研究更準(zhǔn)確、更高效的大氣模式以應(yīng)對(duì)重大氣候問(wèn)題的挑戰(zhàn)，一直以來(lái)是世界各國(guó)在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域所面對(duì)的最為重要的研究方向之一[31–33]。自第一代超級(jí)計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，大氣模式一直是超級(jí)計(jì)算機(jī)的最為主要的用戶之一，且需求隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展不斷演進(jìn)[34]。在向量機(jī)時(shí)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(jì)90年代起，隨著多核系統(tǒng)逐漸取代向量機(jī)成為超級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)建的主流，大氣模式程序的構(gòu)建開(kāi)始以面向多核處理器為導(dǎo)向。諸如美國(guó)國(guó)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(yù)報(bào)模式（WeatherResearchandForecastingModel，WRF）[19]，日本Satoh等人開(kāi)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(nèi)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(guó)氣象服務(wù)中心超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)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(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的大氣模擬（超過(guò)770億個(gè)未知量），模擬速度達(dá)到每天0.07個(gè)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(xiàng)工作也獲得了2016年ACM戈登貝爾獎(jiǎng)�；谖锢聿糠峙c動(dòng)力框架部分的優(yōu)化基礎(chǔ)，近年來(lái)針對(duì)模式整體的異構(gòu)優(yōu)化工作已經(jīng)有部分成果。2016年初，瑞士氣象局異構(gòu)超級(jí)計(jì)算機(jī)投入運(yùn)營(yíng)。該超級(jí)計(jì)算機(jī)由24個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)中有2塊IntelXeonCPU以及8塊NvidiaTeslaK80GPU，節(jié)點(diǎn)間使用Infiniband網(wǎng)絡(luò)高速互連。在超級(jí)計(jì)算機(jī)中，GPU部分提供了超過(guò)90%的計(jì)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(jìn)行了部署，通過(guò)充分利用異構(gòu)計(jì)算機(jī)的硬件架構(gòu)以及針對(duì)架構(gòu)做出的算法調(diào)優(yōu)，以1.3倍的硬件計(jì)算能力完成了40倍的模擬速度需求，為其他國(guó)家氣象機(jī)構(gòu)提供了一個(gè)很好的范例。圖2.2瑞士氣象局通過(guò)軟件調(diào)優(yōu)與平臺(tái)移植平衡計(jì)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(lái)自于數(shù)據(jù)同化、多模式集合、分辨率提升三個(gè)方面。在加速實(shí)現(xiàn)上，瑞士氣象局對(duì)于大氣模擬領(lǐng)域?qū)＜遗c計(jì)算機(jī)科學(xué)家進(jìn)行了明確的分工，針對(duì)最新的硬件架構(gòu)模型，大氣領(lǐng)域?qū)＜裔槍?duì)物理模型的數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)、算法描述以及代碼實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，而計(jì)算機(jī)工程師將初始的代碼實(shí)現(xiàn)部署到最新的硬件架構(gòu)上并進(jìn)行了卓有成效的調(diào)優(yōu)工作。通過(guò)兩方的緊密協(xié)作與溝通，圓滿地完成了預(yù)期目標(biāo)，并提煉出了基于新型架構(gòu)的模式開(kāi)發(fā)的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：首先，軟件算法應(yīng)當(dāng)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(xiàn)】：
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(xué)軍,廖湘科,盧凱,胡慶豐,宋君強(qiáng),蘇金樹(shù).  Journal of Computer Science & Technology. 2011(03)



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