Transformando os estudos climáticos: software inovador aprimora modelo oceânico eminente

por Santiago Fernández
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Climate Modeling Software

Esta imagem retrata as correntes superficiais oceânicas simuladas pelo MPAS-Ocean, com reconhecimento ao Laboratório Nacional de Los Alamos, E3SM e ao Departamento de Energia dos EUA.

Um algoritmo de resolução recentemente desenvolvido para o modelo MPAS-Ocean marca um avanço significativo na pesquisa climática. Isso é conseguido diminuindo o tempo necessário para cálculos e aumentando a precisão do modelo. Esta inovação, que funde a programação Fortran e C++, representa um salto significativo na modelação climática, tanto em termos de eficiência como de fiabilidade.

As ondas do oceano, embora ofereçam um cenário relaxante nas praias, desempenham um papel crucial em empreendimentos científicos como a previsão do tempo e os estudos climáticos. O oceano, junto com a atmosfera, é frequentemente um elemento primário e computacionalmente intensivo em modelos de sistemas terrestres, como o Modelo de Sistema Terrestre em Exaescala de Energia (E3SM) do Departamento de Energia.

Avanço na Modelagem Oceânica

Os modelos oceânicos contemporâneos geralmente examinam dois tipos de ondas: os sistemas barotrópicos de movimento rápido e os sistemas baroclínicos de movimento mais lento. Para simular melhor esses dois tipos simultaneamente, uma equipe colaborativa dos Laboratórios Oak Ridge, Los Alamos e Sandia National Laboratories do DOE inovou em um novo algoritmo de resolução. Este algoritmo reduziu a duração operacional do MPAS-Ocean, o componente de circulação oceânica do E3SM, em 45%.

A equipe conduziu testes de software em vários supercomputadores, incluindo Summit no Oak Ridge Leadership Computing Facility do ORNL, Compy no Pacific Northwest National Laboratory e Cori e Perlmutter no National Energy Research Scientific Computing Center do Lawrence Berkeley National Laboratory. Suas descobertas foram publicadas no International Journal of High Performance Computing Applications.

Progresso na computação de modelagem climática

O desafio de fundir Trilinos, uma coleção de software de código aberto em C++ para supercomputação, com modelos de sistemas terrestres normalmente escritos em Fortran foi abordado usando ForTrilinos. Esta biblioteca de software integra interfaces Fortran com pacotes C++ existentes, agilizando a criação do novo solucionador com foco em ondas barotrópicas.

Hyun Kang, cientista do sistema computacional da Terra ORNL e principal autor do estudo, destaca a conveniência desta interface, permitindo o uso de todos os componentes do pacote C++ em Fortran sem a necessidade de tradução.

Melhorias no MPAS-Ocean

Este desenvolvimento baseia-se em pesquisas anteriores publicadas no Journal of Advances in Modeling Earth Systems. Pesquisadores do ORNL e do Laboratório Nacional de Los Alamos criaram manualmente um código para aprimorar o MPAS-Ocean. O novo solucionador habilitado para ForTrilinos aborda limitações anteriores, especialmente ao executar o MPAS-Ocean com menos núcleos de computação para um determinado tamanho de problema.

O solucionador MPAS-Ocean original usava subciclo explícito, exigindo vários pequenos intervalos de tempo para sincronizar os cálculos das ondas barotrópicas e baroclínicas sem desestabilizar o modelo. Em contraste, o solucionador barotrópico recentemente desenvolvido emprega um método semi-implícito, garantindo estabilidade incondicional e permitindo o uso de menos passos de tempo maiores sem comprometer a precisão. Essa abordagem economiza tempo e poder de computação consideráveis.

As bibliotecas de software Trilinos e Fortrilinos, otimizadas por uma comunidade de desenvolvedores para diversas aplicações climáticas, agora melhoram o desempenho do solucionador MPAS-Ocean. Estas otimizações permitem que outros cientistas agilizem as suas pesquisas climáticas.

Desenvolvimentos e impactos futuros

Apesar das atuais limitações de escalabilidade em sistemas de computação de alto desempenho, o solucionador tem um desempenho excepcional até uma determinada contagem de processadores. O requisito do método semi-implícito para comunicação frequente do processador pode prejudicar o desempenho. Para resolver isso, os pesquisadores estão otimizando as comunicações do processador e adaptando o solucionador para uso da GPU.

Além disso, a equipe aperfeiçoou o método de intervalo de tempo para o sistema baroclínico, aumentando a eficiência do MPAS-Ocean. Estes avanços visam acelerar e melhorar a fiabilidade e a precisão das previsões climáticas, que são vitais para a segurança climática e para previsões informadas e de alta resolução.

“Este novo solucionador para o modo barotrópico não apenas acelera os cálculos, mas também garante uma integração mais estável de modelos, especialmente MPAS-Ocean”, diz Kang. “Ao aumentar a velocidade deste modelo, podemos reduzir o consumo de energia associado ao uso extensivo de recursos computacionais, melhorando assim as simulações e prevendo de forma mais eficaz os impactos das alterações climáticas ao longo de décadas ou mesmo milénios.”

Este estudo foi apoiado pelo E3SM e pelo Exascale Computing Project (ECP), ambos patrocinados pelo programa de Pesquisa Biológica e Ambiental do Office of Science do DOE. O programa Advanced Scientific Computing Research no Office of Science do DOE financia o OLCF e o NERSC.

Perguntas frequentes (FAQs) sobre software de modelagem climática

Qual é a importância do novo algoritmo de resolução para MPAS-Ocean?

O novo algoritmo de resolução desenvolvido para o modelo MPAS-Ocean é um avanço inovador na pesquisa climática. Reduz significativamente o tempo computacional enquanto melhora a precisão das simulações. Esta melhoria é alcançada através da integração da programação Fortran e C++, representando um grande avanço na modelagem climática eficiente e confiável.

Como o modelo MPAS-Oceano contribui para a pesquisa climática?

MPAS-Ocean, como parte do Modelo de Sistema Terrestre em Exaescala de Energia (E3SM) do Departamento de Energia, desempenha um papel crucial na pesquisa climática. Ajuda na previsão do tempo e no estudo dos padrões climáticos, simulando as correntes da superfície oceânica. O oceano, juntamente com a atmosfera, é um componente chave nos modelos do sistema terrestre, e a simulação precisa das correntes oceânicas é vital para projeções climáticas confiáveis.

Quais são as melhorias computacionais no modelo MPAS-Ocean?

O novo algoritmo de resolução para o modelo MPAS-Ocean reduziu o tempo total de execução das simulações em 45%. Esta melhoria é possível graças a um solucionador semi-implícito para o sistema barotrópico, que é incondicionalmente estável e permite intervalos de tempo maiores sem sacrificar a precisão. Isso leva a uma economia significativa de tempo e energia de computação.

Qual o papel do Trilinos e do ForTrilinos nesta pesquisa?

Trilinos é um banco de dados de software de código aberto, escrito em C++, utilizado para resolver problemas científicos em supercomputadores. ForTrilinos é uma biblioteca de software relacionada que incorpora interfaces Fortran em pacotes C++. A equipe de pesquisa utilizou o ForTrilinos para projetar o novo algoritmo de resolução do MPAS-Ocean, possibilitando o uso de componentes C++ em Fortran sem a necessidade de tradução, agilizando assim o processo de desenvolvimento.

Quais são os objetivos futuros para o desenvolvimento do MPAS-Ocean?

Aprimoramentos futuros para MPAS-Ocean incluem a otimização das comunicações do processador e a adaptação do solucionador para uso da GPU. A equipe também está trabalhando na atualização do método de intervalo de tempo do sistema baroclínico para melhorar ainda mais a eficiência. O objetivo é tornar as previsões climáticas mais rápidas, mais fiáveis e mais precisas, o que é crucial para a segurança climática e para as projeções de alta resolução.

Mais sobre software de modelagem climática

  • Visão geral do modelo MPAS-Oceano
  • Projeto E3SM do Departamento de Energia
  • Biblioteca de software Trilinos
  • ForTrilinos: conectando Fortran e C++
  • Ondas oceânicas na modelagem climática
  • Computação de alto desempenho em pesquisa climática
  • O Jornal Internacional de Aplicações de Computação de Alto Desempenho
  • Avanços na modelagem de sistemas terrestres
  • Eficiência Computacional em Modelos Climáticos
  • Programas do Escritório de Ciências do DOE

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5 comentários

Ema B. Dezembro 20, 2023 - 7:39 am

a seção sobre Trilinos e ForTrilinos foi um pouco confusa, talvez adicionar uma breve explicação do que são para aqueles de nós que não entendem de tecnologia?

Responder
Mike Johnson Dezembro 20, 2023 - 9:41 am

artigo realmente interessante, mas acho que os detalhes técnicos são um pouco exagerados, talvez simplifiquem um pouco para o leitor médio?

Responder
Sara K. Dezembro 20, 2023 - 10:16 am

Adorei como este artigo destaca a importância dos oceanos na pesquisa climática, mas há um erro de digitação no segundo parágrafo, 'significativamente' deveria ser 'significativamente'

Responder
Alex T. Dezembro 20, 2023 - 1:15 pm

ótima leitura, mas parecia que estava se arrastando no meio, talvez reduzindo alguns dos detalhes menos importantes?

Responder
João D. Dezembro 20, 2023 - 5:49 pm

Impressionante o trabalho dos pesquisadores, mas acho que o artigo poderia ser útil um pouco mais sobre as aplicações práticas desta pesquisa, como isso afetará nosso dia a dia?

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