Superordenadores Cray en la Modelización Climática, Oceanográfica y del Tiempo Per Nyberg Director de Marketing, Ciencias Ambientales Cray Inc. Contenido La Ciencia Puntera que Permiten los Sistemas Cray .............................................................................................. 4 Proyecto Athena ......................................................................................................................................................... 5 DoE-UCAR Climate Science Computational End Station................................................................................. 5 Proyecto CHIMES de NOAA .................................................................................................................................... 5 Experimento NOAA Spring Hazardous Weather Testbed.............................................................................. 5 Cray Experto en Aplicaciones Medioambientales ................................................................................................. 6 Liderazgo de Cray en la Modelización Oceánica, Climática y del Tiempo .................................................... 6 WP-XT02-1010 Page 2 of 7 www.cray.com El impacto real de la predicción climática, oceanográfica y del tiempo en la población y la economía mundial conlleva el uso de superordenadores para la modelización del sistema terrestre. Los impactos socioeconómicos de los adelantos en la capacidad de predicción son bien conocidos tanto por los científicos como por los líderes gubernamentales. El medio ambiente de la Tierra juega un importante papel en el diseño de las economías y las infraestructuras y afecta a casi todos los aspectos de nuestra vida cotidiana, incluyendo actividades de recreo, suministro de alimentos y recursos energéticos. Los superordenadores Cray están identificados con la solución de problemas científicos críticos y han sido los sistemas elegidos durante muchos años por la comunidad investigadora de sistemas terrestres donde la capacidad para la computación en entornos de explotación es de una importancia estratégica. La modelización del sistema terrestre es un área de aplicación clave que abarca casi todo el espectro de la base de clientes de Cray, yendo desde aquellas cuyas principal misión consiste en la modelización del sistema terrestre hasta todo tipo de centros de supercomputación. Tanto desde el punto de vista del rendimiento como de la administración de datos y sistema, la modelización climática, oceanográfica y del tiempo representa un desafío único en el campo de la supercomputación. Los requerimientos de cálculo para las adecuadas escalas de espacio y tiempo son inmensos y requieren máxima escalabilidad para su ejecución en un tiempo funcional. Cray construye innovadores sistemas de supercomputación que brindan un excepcional rendimiento a los científicos de todo el mundo – desde sistemas “entry level” hasta los sistemas más grandes y potentes del mundo. El objetivo de Cray es maximizar el rendimiento sostenido de las aplicaciones combinando tecnologías rentables desde un punto de vista comercial con innovaciones exclusivas que incrementan notablemente el rendimiento, la fiabilidad y su utilización. Imágen cortesía de ORNL Este enfoque de equilibrio en el diseño del sistema proporciona gran eficacia de cálculo y mantiene su eficiencia en escalación si aplicaciones requieren decenas o miles de procesadores. La gran eficacia de cálculo permite a científicos y predictores obtener resultados en el menor tiempo posible investigando cada vez fenómenos más complejos. También permite a los científicos resolver problemas considerados difíciles de manejar en los clusters ordinarios o en los sistemas diseñados para aplicaciones comerciales. Por ejemplo, el modelo Weather Research and Forecasting (WRF) se utilizó para comprobar la escalabilidad en un problema científico de alta resolución de nueva generación en una arquitectura “petascale” Cray XT5™. El resultado logrado de 50 teraflops (miles de millones de operaciones de coma flotante por segundo) sostenidos batió todos los records. Esta potencia de cálculo puede obtenerse cuando se combinan arquitecturas de sistemas escalables con el diseño de aplicaciones. WP-XT02-1010 Page 3 of 7 www.cray.com La Ciencia Puntera que Permiten los Sistemas Cray La solución Cray ha sido elegida por científicos de todo el mundo para resolver los retos a los que se enfrentan. Actualmente, el superordenador más rápido del que dispone la comunidad de Investigación del Clima y del Tiempo es el superordenador de orden petaflops Cray XT5 del Departamento de Energía de los Estados Unidos Oak Ridge National Laboratory (ORNL) con un rendimiento de pico por encima de los 2.3 petaflops (billones de operaciones de coma flotante por segundo). El superordenador Cray XT5 está logrando resultados sin precedentes y es un recurso clave en las evaluaciones del National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL), ORNL, el National Center for Atmospheric Research (NCAR) y la National Aeronautics and Space Administration (NASA) en el Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)i. Los sistemas Cray XT™ están también instalados en varios servicios hidrográficos y meteorológicos y en centros de investigación climática punteros de todo el mundo. Algunos ejemplos son NOAA, NCAR, Administración Meteorológica de Corea (KMA), Instituto Nacional de Investigación Espacial (INPE) del Brasil y el Centro Brasileño para la Predicción del tiempo y Estudios Climáticos (CPTEC), Instituto Meteorológico Danés (DMI), la Oficina Oceanográfica Naval de Estados Unidos (NAVO), el MeteoSwiss y el Instituto Meteorológico Finlandés (FMI). El sistema de KMA es una de los sistemas en explotación más potentes del mundo en predicción numérica del tiempo y el mayor en la región Asia Imágen cortesía de KMA Pacífico. Además, el Sistema de Investigación y Modelización Climática NOAA es el mayor superordenador del mundo dedicado a la investigación del clima. Al ser capital importancia para los centros de explotación, Cray es capaz de proporcionar soluciones a medida y de total integración para satisfacer las necesidades específicas de cada centro. Un componente clave tanto en el sistema de DMI como en el de KMA es su arquitectura totalmente redundante que ofrece sistemas de explotación y de investigación/backup con sistemas de ficheros compartidos. Casi todos los grandes centros científicos de supercomputación en los campos académicos y gubernamentales utilizan algunos de estos recursos de computación para Centros de modelización del Sistema Terrestre tales como el National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), ORNL, el sistema HECToR en el Centro de Computación paralela de Edimburgo (EPCC), el Arctic Region Supercomputing Center (ARSC), el Bergen Centre for Computational Science (BCCS) en Noruega y el Centre for Scientific Computing (CSC) in Finlandia, dedican una parte importante de su potencia de cálculo para liderar la investigación climática, oceánica y del tiempo. Imágen cortesía de Jamison Daniel, NCCS, ORNL Algunos ejemplos de estudios científicos destacados llevados a cabo en sistemas Cray XT son el Proyecto Athena, la DoE-UCAR Climate Science Computational End Station, el Proyecto NOAA GFDL CHIMES y las evaluaciones IPCC AR5, y el experimento NOAA Spring Hazardous Weather Testbed. WP-XT02-1010 Page 4 of 7 www.cray.com Proyecto Athena Tras la cumbre mundial de Modelización sobre Predicción Climática de 2008, se creó el Proyecto Athena con el objetivo de determinar la viabilidad de utilizar recursos de supercomputación dedicados para acelerar rápidamente el progreso en la variabilidad del clima y en la simulación del cambio climático. Los investigadores corrieron dos modelos vanguardistas de circulación global atmosférica con la resolución de espacio más alta posible y con las mayores escalas de tiempo posibles. Uno fue el modelo de la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) y la University of Tokyo’s Nonhydrostatic Icosahedral Atmospheric. El otro fue el European Centre for Medium-Range Weather Forecasting (ECMWF) Integrated Forecast System (IFS). Utilizando todo el superordenador Cray XT4 Athena de 18.048 núcleos y parte del superordenador Cray XT5 Kraken de 99.072 núcleos en el National Institue Computational Sciences, el grupo corrió múltiples simulaciones de IFS a múltiples resoluciones (desde rejillas de 128 Km a 10 Km) para múltiples décadas y simulaciones hasta rejillas de 7 Km para comprobar el impacto en las simulaciones climáticas en los procesos de formación de nubes. DoE-UCAR Climate Science Computational End Station Como preparación para la quinta evaluación del IPCC, el DOE, la NSF, la NASA e investigadores de universidades se han unido en el Climate Science Computational End Station Development and Grand Challenge Team. El propósito de este organismo es conseguir simulaciones sin precedentes y el desarrollo y coordinación de los modelos climáticos de próxima generación. Sus principales recursos de computación son los sistemas Cray en ORNL y NERSC. Con millones de horas de acceso a los sistemas Cray de orden de petaflops, los investigadores del IPCC podrán aplicar mayores recursos de computación que nunca y desarrollar simulaciones de sistemas climáticos de próxima generación. Proyecto CHIMES de NOAA A través de un acuerdo entre la oficina de la ciencia DoE y la NOAA, el proyecto CHIMES (modelo acoplado de alta resolución del sistema de la tierra) está explorando modelos climáticos de alta resolución desde el GFDL en el sistema Cray XT5 de orden de petaflops del ORNLii. Experimento NOAA Spring Hazardous Weather Testbed El programa Experimento Spring Hazardous Weather Testbed fue diseñado por el National Severe Stroms Laboratory (NSSL), el Centro de Predicción de Tormentas y el National Weather Service para mejorar las predicciones y los avisos sobre tiempo severo. Desde la primavera de 2007, el Centro para el Análisis y la Predicción de Tormentas de la Universidad de Oklahoma (CAPS) en cooperación con la NOAA utilizaron sistemas Cray XT como plataformas de computación para el experimento. En 2008 los datos obtenidos de más de 120 radares fueron utilizados por primera vez permitiendo lograr las predicciones más realistas. En 2009 el sistema Cray XT5 (608 teraflops) del Instituto de Ciencia computacional de la Universidad Nacional de Tennessee y el sistema Cray XT3™ Centro de Supercomputación de Pittsburgh fueron utilizados para producir las predicciones de tormentas de máxima resolución hasta la fechaiii. WP-XT02-1010 Page 5 of 7 www.cray.com Cray Experto en Aplicaciones Medioambientales El Equipo de Aplicaciones del Medio Ambiente de Cray está involucrado en actividades relacionadas con la migración y la optimización de los modelos climáticos y del tiempo. En muchos de estos trabajos Cray trabaja con los desarrolladores de las aplicaciones para que las optimizaciones se incorporen al código obtenido. Los trabajos incluyen pero no se limitan a: trabajar con WRF, UM, HadGEM, NEMO, CCSM, MOM4, IFS, HIRLAM, ALADIN, AROME, HARMONIE, COSMO-LM and COSMOS. Además, Cray estableció un Centro de Excelencia para la Modelación del Sistema Terrestre (CoEESM) al principio de 2009. Con sede en Seúl, Corea del Sur, el CoE-ESM estableció en 2005 una iniciativa de cooperación entre Cray y el KMA que se basa en la destreza desarrollada a través del Centro de Investigación del Sistema Terrestre (ERSC) para avanzar en la modelización del sistema terrestre en la región de Este de Asia Pacífico y fomentar el desarrollo y la investigación colaborativos que mantienen a KMA como un centro pionero para sus usuarios. Ahora, entrando ya en el sexto año, ESRC ha demostrado ser una colaboración altamente exitosa en la finalización de 16 proyectos individuales con investigadores de universidades y un número de proyectos junto a la Sociedad Meteorológica coreana. Liderazgo de Cray en la Modelización Oceánica, Climática y del Tiempo Los superordenadores de Cray son sinónimos de solución de problemas científicos críticos y han sido durante muchos años la opción en la investigación del sistema terrestre y en las comunidades operativas donde la capacidad de computación en producción de importancia estratégica. La modelización del sistema terrestre es un área clave que abarca casi todo el espectro de la base de clientes de Cray, desde aquellos cuya actividad principal es la modelización del sistema terrestre a todo tipo de centros de supercomputación. WP-XT02-1010 Page 6 of 7 www.cray.com © Cray 2010 Inc. Todos los derechos reservados. Ninguna parte de esta publicación se puede reproducir, almacenar en un sistema de recuperación, o transmitir, de cualquier forma o por cualesquiera medios, electrónico, mecánico, fotocopiando, registrando, o de otra manera, sin el permiso anterior de los propietarios del copyright. Cray es una marca registrada, y el logo de Cray, Cray XE6, Cray XT6, Cray XT5, Cray XT, Cray XT4 y Cray XT3 son marcas registradas de Cray Inc. Otros nombres del producto y del servicio mencionados adjunto son las marcas registradas de sus propietarios respectivos. i “The use of the Climate-science Computational End Station (CCES) development and grand challenge team for the next IPCC assessment: an operational plan”, Journal of Physics: Conference Series 125 (2008) 012024, WM Washington, et al. ii Coupled High-Resolution Modeling of the Earth System (CHiMES) http://www.gfdl.noaa.gov/~vb/chimes/index.html iii “CAPS REALTIME 4-KM MULTI-MODEL CONVECTION-ALLOWING ENSEMBLE AND 1-KM CONVECTIONRESOLVING FORECASTS FOR THE NOAA HAZARDOUS WEATHER TESTBED 2009 SPRING EXPERIMENT”, 23nd Conf. Wea. Anal. Forecasting/19th Conf. Num. Wea. Pred. Amer. Meteor. Soc., M. Xue et al. WP-XT02-1010 Page 7 of 7 www.cray.com