Transformando los estudios climáticos: un software innovador mejora el eminente modelo oceánico

por Santiago Fernández
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Climate Modeling Software

Esta imagen muestra las corrientes de la superficie del océano simuladas por MPAS-Ocean, con reconocimiento al Laboratorio Nacional de Los Álamos, E3SM y el Departamento de Energía de EE. UU.

Un algoritmo de resolución recientemente desarrollado para el modelo MPAS-Ocean marca un avance significativo en la investigación climática. Lo logra reduciendo el tiempo necesario para los cálculos y mejorando la precisión del modelo. Esta innovación, que fusiona programación en Fortran y C++, representa un salto significativo en el modelado climático, tanto en términos de eficiencia como de confiabilidad.

Las olas del océano, si bien ofrecen un telón de fondo relajante en las playas, desempeñan un papel crucial en iniciativas científicas como la predicción del tiempo y los estudios climáticos. El océano, junto con la atmósfera, es a menudo un elemento primario y computacionalmente intensivo en los modelos del sistema terrestre, como el Modelo del sistema terrestre en exaescala de energía (E3SM) del Departamento de Energía.

Avances en el modelado oceánico

Los modelos oceánicos contemporáneos generalmente examinan dos tipos de ondas: los sistemas barotrópicos de rápido movimiento y los baroclínicos de movimiento más lento. Para simular mejor estos dos tipos simultáneamente, un equipo colaborativo de los Laboratorios Nacionales Oak Ridge, Los Alamos y Sandia del DOE ha innovado un nuevo algoritmo de resolución. Este algoritmo ha reducido la duración operativa del MPAS-Ocean, el componente de circulación oceánica del E3SM, en 45%.

El equipo realizó pruebas de software en varias supercomputadoras, incluida Summit en Oak Ridge Leadership Computing Facility de ORNL, Compy en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y Cori y Perlmutter en el Centro de Computación Científica de Investigación Energética Nacional del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Sus hallazgos se han publicado en la Revista Internacional de Aplicaciones de Computación de Alto Rendimiento.

Progresos en la informática de modelado climático

El desafío de fusionar Trilinos, una colección de software de código abierto en C++ para supercomputación, con modelos del sistema terrestre típicamente escritos en Fortran, se abordó utilizando ForTrilinos. Esta biblioteca de software integra interfaces Fortran con paquetes C++ existentes, agilizando la creación del nuevo solucionador centrado en ondas barotrópicas.

Hyun Kang, científico computacional del sistema terrestre ORNL y autor principal del estudio, destaca la conveniencia de esta interfaz, que permite el uso de todos los componentes del paquete C++ en Fortran sin necesidad de traducción.

Mejoras a MPAS-Océano

Este desarrollo se basa en una investigación anterior publicada en el Journal of Advances in Modeling Earth Systems. Investigadores de ORNL y el Laboratorio Nacional de Los Álamos crearon manualmente un código para mejorar MPAS-Ocean. El nuevo solucionador habilitado para ForTrilinos aborda limitaciones anteriores, particularmente cuando se ejecuta MPAS-Ocean con menos núcleos de cómputo para un tamaño de problema determinado.

El solucionador MPAS-Ocean original utilizaba subciclos explícitos, lo que requería numerosos intervalos de tiempo pequeños para sincronizar los cálculos de ondas barotrópicas y baroclínicas sin desestabilizar el modelo. Por el contrario, el solucionador barotrópico recientemente desarrollado emplea un método semiimplícito, que garantiza una estabilidad incondicional y permite el uso de menos intervalos de tiempo más grandes sin comprometer la precisión. Este enfoque ahorra una considerable potencia informática y tiempo.

Las bibliotecas de software Trilinos y Fortrilinos, optimizadas por una comunidad de desarrolladores para diversas aplicaciones climáticas, ahora mejoran el rendimiento del solucionador MPAS-Ocean. Estas optimizaciones permiten a otros científicos acelerar sus investigaciones climáticas.

Desarrollos futuros e impacto

A pesar de sus actuales limitaciones de escalabilidad en sistemas informáticos de alto rendimiento, el solucionador funciona excepcionalmente hasta un determinado número de procesadores. El requisito del método semiimplícito de comunicación frecuente del procesador puede afectar el rendimiento. Para solucionar esto, los investigadores están optimizando las comunicaciones del procesador y adaptando el solucionador para el uso de GPU.

Además, el equipo ha perfeccionado el método de paso del tiempo para el sistema baroclínico, aumentando la eficiencia de MPAS-Ocean. Estos avances tienen como objetivo acelerar y mejorar la confiabilidad y precisión de las predicciones climáticas, que son vitales para la seguridad climática y para realizar pronósticos informados y de alta resolución.

"Este nuevo solucionador para el modo barotrópico no sólo acelera los cálculos sino que también garantiza una integración más estable de los modelos, en particular MPAS-Ocean", dice Kang. "Al mejorar la velocidad de este modelo, podemos reducir el consumo de energía asociado con el uso extensivo de recursos computacionales, mejorando así las simulaciones y pronosticando de manera más efectiva los impactos del cambio climático durante décadas o incluso milenios".

Este estudio fue apoyado por E3SM y el Proyecto de Computación Exaescala (ECP), ambos patrocinados por el programa de Investigación Biológica y Ambiental de la Oficina de Ciencias del DOE. El programa de Investigación en Computación Científica Avanzada de la Oficina de Ciencias del DOE financia el OLCF y el NERSC.

Preguntas frecuentes (FAQ) sobre el software de modelado climático

¿Cuál es la importancia del nuevo algoritmo de resolución de MPAS-Ocean?

El nuevo algoritmo de resolución desarrollado para el modelo MPAS-Ocean es un avance innovador en la investigación climática. Reduce significativamente el tiempo de cálculo al tiempo que mejora la precisión de las simulaciones. Esta mejora se logra mediante la integración de la programación Fortran y C++, lo que representa un gran paso adelante en el modelado climático eficiente y confiable.

¿Cómo contribuye el modelo MPAS-Ocean a la investigación climática?

MPAS-Ocean, como parte del Modelo de Sistema Terrestre de Exaescala Energética (E3SM) del Departamento de Energía, desempeña un papel crucial en la investigación climática. Ayuda a pronosticar el tiempo y estudiar patrones climáticos simulando las corrientes superficiales del océano. El océano, junto con la atmósfera, es un componente clave en los modelos del sistema Tierra, y la simulación precisa de las corrientes oceánicas es vital para realizar proyecciones climáticas confiables.

¿Cuáles son las mejoras computacionales en el modelo MPAS-Ocean?

El nuevo algoritmo de resolución para el modelo MPAS-Ocean ha reducido el tiempo total de ejecución de las simulaciones en 45%. Esta mejora es posible gracias a un solucionador semiimplícito para el sistema barotrópico, que es incondicionalmente estable y permite pasos de tiempo más grandes sin sacrificar la precisión. Esto conduce a importantes ahorros de tiempo y potencia informática.

¿Cuál es el papel de Trilinos y ForTrilinos en esta investigación?

Trilinos es una base de datos de software de código abierto, escrita en C++, que se utiliza para resolver problemas científicos en supercomputadoras. ForTrilinos es una biblioteca de software relacionada que incorpora interfaces Fortran en paquetes C++. El equipo de investigación utilizó ForTrilinos para diseñar el nuevo algoritmo de resolución para MPAS-Ocean, que permite el uso de componentes C++ en Fortran sin necesidad de traducción, agilizando así el proceso de desarrollo.

¿Cuáles son los objetivos futuros para el desarrollo de MPAS-Ocean?

Las mejoras futuras para MPAS-Ocean incluyen la optimización de las comunicaciones del procesador y la adaptación del solucionador para el uso de GPU. El equipo también está trabajando para actualizar el método de paso del tiempo del sistema baroclínico para mejorar aún más la eficiencia. El objetivo es hacer que las predicciones climáticas sean más rápidas, confiables y precisas, lo cual es crucial para la seguridad climática y las proyecciones de alta resolución.

Más sobre el software de modelado climático

  • Descripción general del modelo oceánico MPAS
  • Proyecto E3SM del Departamento de Energía
  • Biblioteca de software Trilinos
  • ForTrilinos: uniendo Fortran y C++
  • Olas oceánicas en el modelado climático
  • Computación de alto rendimiento en la investigación climática
  • La revista internacional de aplicaciones informáticas de alto rendimiento
  • Avances en el modelado de sistemas terrestres
  • Eficiencia computacional en modelos climáticos
  • Oficina de Programas Científicos del DOE

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5 comentarios

emma b. diciembre 20, 2023 - 7:39 am

La sección sobre Trilinos y ForTrilinos fue un poco confusa, ¿tal vez agregar una breve explicación de qué son para aquellos de nosotros que no somos expertos en tecnología?

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Mike Johnson diciembre 20, 2023 - 9:41 am

Artículo realmente interesante, pero creo que los detalles técnicos son un poco exagerados, ¿quizás simplificarlos un poco para el lector promedio?

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sara k. diciembre 20, 2023 - 10:16 am

Me encantó cómo este artículo destaca la importancia de los océanos en la investigación climática, pero hay un error tipográfico en el segundo párrafo, "significativamente" debería ser "significativamente".

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Alex T. diciembre 20, 2023 - 1:15 pm

Gran lectura, pero sentí que se estaba demorando en el medio, ¿tal vez reduciendo algunos de los detalles menos importantes?

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Juan D. diciembre 20, 2023 - 5:49 pm

Impresionante trabajo de los investigadores, pero creo que al artículo le vendría bien un poco más sobre las aplicaciones prácticas de esta investigación, ¿cómo afectará nuestra vida diaria?

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