Superordenadores Cray en la Modelización Climática

Superordenadores Cray en la Modelización Climática

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
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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.
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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.
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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.
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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.
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© Cray 2010 Inc. Todos los derechos reservados. Ninguna parte de esta publicación se puede
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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.
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