À la plage, les vagues produisent un bruit blanc apaisant. Mais dans les laboratoires scientifiques, les vagues jouent un rôle clé dans la prévision météorologique et la recherche climatique. Comme l'atmosphère, l'océan est généralement l'un des composants les plus vastes et les plus exigeants en termes de calcul des modèles du système terrestre, tels que le modèle énergétique à très grande échelle du système terrestre du ministère américain de l'Énergie, ou E3SM.
De nouveaux algorithmes de résolution pour le modèle MPAS-Océan améliorent considérablement les études climatiques en réduisant les temps de calcul et en augmentant la précision. Cette avancée intègre la programmation Fortran et C++ et constitue un pas en avant dans la modélisation climatique efficace et fiable.
Une percée dans la modélisation des océans
La plupart des modèles océaniques modernes se concentrent sur deux types de vagues : les systèmes barotropes, où les vagues se propagent plus rapidement, et les systèmes barotropes, où les vagues se propagent plus lentement. Pour aider à résoudre le défi de la simulation simultanée des deux modèles, une équipe du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, du laboratoire national de Los Alamos et des laboratoires nationaux de Sandia a développé un nouvel algorithme de résolution qui réduit de 45 % le temps d'exécution global du modèle de circulation océanique d'E3SM, le modèle de prévision océanique multi-échelle (MPAS-Océan).
Les chercheurs ont testé leur logiciel sur le supercalculateur Summit de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility de l'ORNL, une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie, et sur le supercalculateur Compy du Pacific Northwest National Laboratory. Ils ont effectué leurs principales simulations sur les supercalculateurs Cori et Perlmutter du National Energy Research Scientific Computing Center du Lawrence Berkeley National Laboratory, et leurs résultats ont été publiés dans l'International Journal of High Performance Computing Applications.
Innovations dans les calculs de modélisation climatique
Trilinos, une base de données logicielle open source idéale pour résoudre des problèmes scientifiques sur des superordinateurs, est écrite en langage de programmation C++. Les modèles du système terrestre comme E3SM sont généralement écrits en Fortran. L'équipe de recherche a donc exploité ForTrilinos, une bibliothèque de logiciels connexe qui intègre des interfaces Fortran dans les progiciels C++ existants, pour concevoir et personnaliser un nouveau solveur axé sur les ondes de pression.
"Une fonctionnalité utile de cette interface est que nous pouvons utiliser tous les composants du package C++ en Fortran, nous n'avons donc pas besoin de traduire quoi que ce soit, ce qui est très pratique", a déclaré l'auteur principal Hyun Kang, scientifique informatique des systèmes terrestres à l'ORNL.
Améliorations du MPAS-Océan
Des chercheurs de l'ORNL et du laboratoire national de Los Alamos ont publié un article dans le Journal of Advances in Modeling Earth Systems qui améliore MPAS-Ocean. Les solveurs compatibles ForTrilinos surmontent désormais les lacunes restantes des solveurs des études précédentes, en particulier lorsque les utilisateurs exécutent MPAS-Ocean avec un petit nombre de cœurs de calcul pour résoudre un problème donné.
Le solveur par défaut de MPAS-Ocean s'appuie sur une technologie de sous-cylindre explicite, qui utilise de nombreux petits intervalles de temps ou pas de temps pour calculer les caractéristiques des ondes d'écoulement anisotropes tout en effectuant des calculs de décomposition en mode barocline sans déstabiliser le modèle. Si l’on avance une onde linéaire baroque et une onde de pneutropisme avec des pas de temps de 300 secondes et 15 secondes respectivement, le calcul du pneutropisme devrait effectuer 20 fois plus d’itérations pour maintenir la même vitesse, ce qui nécessite beaucoup de puissance de calcul.
En revanche, le nouveau solveur de système isotrope est semi-implicite, ce qui signifie qu'il est inconditionnellement stable, de sorte que les chercheurs peuvent utiliser le même nombre de pas de temps importants sans sacrifier la précision, ce qui permet d'économiser beaucoup de temps et de puissance de calcul.
Une communauté de développeurs de logiciels a passé des années à optimiser diverses applications climatiques à Trilinos et Fortrilinos, de sorte que le dernier solveur MPAS-Ocean qui exploite cette ressource surpasse les solveurs fabriqués à la main, permettant ainsi à d'autres scientifiques d'accélérer leurs efforts de recherche sur le climat.
"Si nous devions coder chaque algorithme individuellement, cela nécessiterait plus d'efforts et d'expertise", a déclaré Kang. "Mais avec ce logiciel, nous pouvons exécuter des simulations instantanément et plus rapidement en incorporant des algorithmes d'optimisation dans le programme."
Améliorations et impacts futurs
Bien que les solveurs actuels présentent encore des limites d’évolutivité sur les systèmes informatiques hautes performances, leurs performances sont excellentes lorsque le nombre de processeurs atteint un certain niveau. Cet inconvénient existe car l'approche semi-implicite nécessite que tous les processeurs communiquent entre eux au moins 10 fois par pas de temps, ce qui réduit les performances du modèle. Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs optimisent actuellement la communication entre les processeurs et portent le solveur sur le GPU.
En outre, l’équipe de recherche a également mis à jour la méthode pas à pas de temps de l’algorithme de décomposition des moisissures baroclines pour améliorer encore l’efficacité de MPAS-Ocean. Grâce à ces avancées, les chercheurs visent à rendre les prévisions climatiques plus rapides, plus fiables et plus précises – une amélioration importante pour garantir la sécurité climatique, permettre une prise de décision rapide et des prévisions à haute résolution.
"Ce solveur de modèles barométriques permet des calculs plus rapides et une intégration plus stable de divers modèles, notamment MPAS-Ocean", a déclaré Kang. "Une utilisation intensive des ressources informatiques nécessite de grandes quantités de puissance et d'énergie, mais en accélérant ce modèle, nous pouvons réduire la consommation d'énergie, améliorer les simulations et prédire plus facilement les impacts du changement climatique sur des décennies, voire des millénaires."
Références : « Solveur de mode de pression implicite MPAS-océan utilisant une interface de solveur Fortran moderne » par Hyun-GyuKang, Raymond STuminaro, Andrey Prokopenko, SethR Johnson, Andrew GSalinger et Katherine J Evans, 17 novembre 2023, « International Journal of High Performance Computing Applications ».
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Source compilée : ScitechDaily