Na praia, as ondas proporcionam um ruído branco suave. Mas nos laboratórios científicos, as ondas desempenham um papel fundamental na previsão do tempo e na investigação climática. Assim como a atmosfera, o oceano é normalmente um dos maiores e mais exigentes componentes computacionalmente dos modelos de sistemas terrestres, como o Modelo de Sistema Terrestre de Muito Grande Escala de Energia do Departamento de Energia dos EUA, ou E3SM.
Novos algoritmos de resolução para o modelo MPAS-Ocean melhoram significativamente os estudos climáticos, reduzindo os tempos de cálculo e aumentando a precisão. Este avanço integra a programação Fortran e C++ e é um passo em frente na modelagem climática eficiente e confiável.
Um avanço na modelagem oceânica
A maioria dos modelos oceânicos modernos concentra-se em dois tipos de ondas: sistemas barotrópicos, onde as ondas se propagam mais rapidamente, e sistemas barotrópicos, onde as ondas se propagam mais lentamente. Para ajudar a resolver o desafio de simular os dois modelos simultaneamente, uma equipe do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia, do Laboratório Nacional de Los Alamos e dos Laboratórios Nacionais Sandia desenvolveu um novo algoritmo de resolução que reduz o tempo geral de execução do modelo de circulação oceânica do E3SM, o Modelo de Previsão Oceânica Multiescala (MPAS-Ocean), em 45 por cento.
Os pesquisadores testaram seu software no supercomputador Summit no Oak Ridge Leadership Computing Facility do ORNL, uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia, e no supercomputador Compy no Pacific Northwest National Laboratory. Eles conduziram suas simulações primárias nos supercomputadores Cori e Perlmutter no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, e seus resultados foram publicados no International Journal of High Performance Computing Applications.
Inovações em cálculos de modelagem climática
Trilinos, um banco de dados de software de código aberto ideal para resolver problemas científicos em supercomputadores, é escrito na linguagem de programação C++. Modelos de sistemas terrestres como E3SM são normalmente escritos em Fortran, então a equipe de pesquisa aproveitou o ForTrilinos, uma biblioteca de software relacionada que incorpora interfaces Fortran em pacotes de software C++ existentes, para projetar e personalizar um novo solucionador que se concentra em ondas de pressão.
"Um recurso útil dessa interface é que podemos usar todos os componentes do pacote C++ em Fortran, então não precisamos traduzir nada, o que é muito conveniente", disse o autor principal Hyun Kang, cientista de sistemas computacionais terrestres do ORNL.
Melhorias no MPAS-Ocean
Pesquisadores do ORNL e do Laboratório Nacional de Los Alamos publicaram um artigo no Journal of Advances in Modeling Earth Systems que melhora o MPAS-Ocean. Os solucionadores habilitados para ForTrilinos agora superam as deficiências remanescentes dos solucionadores em estudos anteriores, especialmente quando os usuários executam o MPAS-Ocean com um pequeno número de núcleos de computação para resolver um determinado problema.
O solucionador padrão do MPAS-Ocean depende da tecnologia de subcilinagem explícita, que usa muitos pequenos intervalos de tempo ou etapas de tempo para calcular as características das ondas de fluxo anisotrópicas enquanto realiza cálculos de decomposição no modo baroclínico sem desestabilizar o modelo. Se avançarmos uma onda linear barroca e uma onda de pneutropismo com intervalos de tempo de 300 segundos e 15 segundos respectivamente, o cálculo do pneutropismo precisaria completar 20 vezes mais iterações para manter a mesma velocidade, o que requer muito poder de computação.
Em contraste, o novo solucionador de sistema isotrópico é semi-implícito, o que significa que é incondicionalmente estável, de modo que os pesquisadores podem usar o mesmo número de grandes passos de tempo sem sacrificar a precisão, economizando tempo e poder de computação significativos.
Uma comunidade de desenvolvedores de software passou anos otimizando diversas aplicações climáticas em Trilinos e Fortrilinos, de modo que o mais recente solucionador MPAS-Ocean que aproveita esse recurso supera os solucionadores artesanais, permitindo que outros cientistas acelerem seus esforços de pesquisa climática.
“Se tivéssemos que codificar cada algoritmo individualmente, seria necessário mais esforço e conhecimento”, disse Kang. "Mas com este software, podemos executar simulações de forma instantânea e mais rápida, incorporando algoritmos de otimização ao programa."
Melhorias e impactos futuros
Embora os solucionadores atuais ainda tenham limitações de escalabilidade em sistemas de computação de alto desempenho, seu desempenho é excelente quando o número de processadores atinge um determinado nível. Esta desvantagem existe porque a abordagem semi-implícita exige que todos os processadores se comuniquem entre si pelo menos 10 vezes por intervalo de tempo, o que reduz o desempenho do modelo. Para superar esse obstáculo, os pesquisadores estão atualmente otimizando a comunicação do processador e portando o solucionador para a GPU.
Além disso, a equipe de pesquisa também atualizou o método de intervalo de tempo do algoritmo de decomposição de moldes baroclínicos para melhorar ainda mais a eficiência do MPAS-Ocean. Com estes avanços, os investigadores pretendem tornar as previsões climáticas mais rápidas, mais fiáveis e mais precisas – uma atualização importante para garantir a segurança climática, permitindo a tomada de decisões atempadas e previsões de alta resolução.
“Este solucionador de modelos barométricos permite cálculos mais rápidos e integração mais estável de vários modelos, especialmente MPAS-Ocean”, disse Kang. “O uso extensivo de recursos computacionais requer grandes quantidades de potência e energia, mas ao acelerar este modelo, podemos reduzir o consumo de energia, melhorar as simulações e prever mais facilmente os impactos das alterações climáticas durante décadas e até milénios no futuro.”
Referências: "Solucionador de modo de pressão implícita MPAS-oceano usando uma interface de solucionador Fortran moderna" por Hyun-GyuKang, Raymond STuminaro, Andrey Prokopenko, SethR Johnson, Andrew GSalinger e Katherine J Evans, 17 de novembro de 2023, "International Journal of High Performance Computing Applications".
doi:10.1177/10943420231205601
Fonte compilada: ScitechDaily