應(yīng)對(duì)全球氣候變化必需超算！中山大學(xué)再攬ASC19 e Prize計(jì)算挑戰(zhàn)獎(jiǎng)

4月25日,在2019 ASC世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽(ASC19)總決賽中,中山大學(xué)代表隊(duì)一舉奪得引人矚目的e Prize計(jì)算挑戰(zhàn)獎(jiǎng),將地球系統(tǒng)模式CESM的全模式運(yùn)算時(shí)間縮短至1.83小時(shí)。這也是中山大學(xué)第二次獲得該項(xiàng)殊榮,ASC15總決賽中山大學(xué)針對(duì)SKA (平方公里射電望遠(yuǎn)鏡陣列)的天文計(jì)算Gridding軟件實(shí)現(xiàn)了600倍的加速效果,獲得當(dāng)年的e Prize計(jì)算挑戰(zhàn)獎(jiǎng)。

CESM:全球頂級(jí)超算中的“殺手級(jí)”應(yīng)用

地球系統(tǒng)模式CESM是當(dāng)今國(guó)際上最先進(jìn)、應(yīng)用最為廣泛的氣候模型,同時(shí)也是聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)撰寫第五和第六次評(píng)估報(bào)告所使用的主要?dú)夂蚰Ｐ椭?。CESM是一個(gè)完全耦合的氣候模型,包括了大氣、陸地、海洋、海冰、陸冰等幾大模塊,利用物理、化學(xué)、流體力學(xué)等方程式,外加由實(shí)際觀測(cè)得到的氣候場(chǎng)資料作為起始狀態(tài),最終在超級(jí)計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)氣候變化的過(guò)程?？茖W(xué)家們運(yùn)用CESM來(lái)模擬海洋生態(tài)系統(tǒng)與溫室氣體的相互作用,臭氧、粉塵和其他大氣化學(xué)物質(zhì)對(duì)氣候的影響,大氣、海洋和地表的碳循環(huán),以及溫室氣體對(duì)高層大氣的影響等,還可以探索更廣闊的應(yīng)用空間。

CESM對(duì)計(jì)算資源的需求十分巨大,是神威·太湖之光、天河二號(hào)、泰坦等全球頂級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)中的“殺手級(jí)”應(yīng)用。一方面,全球氣候變化是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程,利用CESM進(jìn)行氣候變化模擬通常需要模式積分幾百年甚至上千年,需要處理的數(shù)據(jù)量非常巨大;另一方面,CESM可以提供從數(shù)公里到數(shù)百公里跨度的不同精度模擬,依據(jù)不同的模擬場(chǎng)景和算例的分辨率,計(jì)算核心數(shù)量可從數(shù)百個(gè)擴(kuò)展到數(shù)百萬(wàn)個(gè)。因此,如何更好的優(yōu)化CESM運(yùn)算進(jìn)程,已成為計(jì)算地球科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要研究課題。

中山大學(xué)成功提速CESM

ASC19組委會(huì)統(tǒng)一提供了2010年的全球大氣歷史數(shù)據(jù),要求總決賽20強(qiáng)隊(duì)伍在3000W功耗約束下自行設(shè)計(jì)構(gòu)建超算系統(tǒng),在限定時(shí)間內(nèi)完成CAM4、CAM5兩個(gè)大氣模式的計(jì)算,以及在二氧化碳濃度翻倍的條件下CESM的全模式計(jì)算。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,在ASC統(tǒng)一提供的8臺(tái)浪潮AI超算服務(wù)器NF5280M5組成的集群中(功耗限制3000W),使用標(biāo)準(zhǔn)CESM模型運(yùn)行該數(shù)據(jù)集需4小時(shí)完成計(jì)算。而參賽隊(duì)伍出于其他賽題的考慮,大多選擇異構(gòu)超算系統(tǒng)設(shè)計(jì),CPU計(jì)算資源普遍不足,因此必須對(duì)CESM氣候模型進(jìn)行優(yōu)化,才能在限定的時(shí)間內(nèi)完成賽題并確保運(yùn)算精度。

中山大學(xué)代表隊(duì)在決賽前對(duì)CESM進(jìn)行了細(xì)致的分析,認(rèn)為CESM大氣分量模式的動(dòng)力框架及物理過(guò)程的計(jì)算是影響程序程序性能的主要模塊,程序整體受內(nèi)存訪問的影響極大,多個(gè)分量模式在計(jì)算中可實(shí)現(xiàn)進(jìn)程復(fù)用。因此,中山大學(xué)代表隊(duì)在決賽中設(shè)計(jì)出CESM的多線程運(yùn)行方法,對(duì)進(jìn)程通訊、內(nèi)存訪問以及向量化等進(jìn)行大量?jī)?yōu)化,在7臺(tái)浪潮AI超算服務(wù)器NF5280M5組成的超算系統(tǒng)中,成功將CESM全模式運(yùn)算時(shí)間縮短至1.83小時(shí),一舉摘得本屆大賽的e Prize計(jì)算挑戰(zhàn)獎(jiǎng)。

中山大學(xué)代表隊(duì)指導(dǎo)老師豐光南表示:“很高興看到ASC又一次將國(guó)際大科學(xué)工程中的核心HPC應(yīng)用帶到比賽中來(lái),地球系統(tǒng)模式CESM是很多科學(xué)家在實(shí)際科研中會(huì)用到的一個(gè)前沿應(yīng)用,這種賽題設(shè)計(jì)會(huì)讓學(xué)生提前感受到真實(shí)的科研環(huán)境,激發(fā)他們對(duì)科學(xué)的興趣和熱情,同時(shí)也會(huì)推動(dòng)應(yīng)用的發(fā)展。”

作為CESM賽題的提供方,中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所所長(zhǎng)助理、LASG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任周天軍表示:“CESM賽題一方面會(huì)讓大學(xué)生們接觸到目前國(guó)際上最前沿的氣候變化科學(xué)工程,另一方面決賽中特別設(shè)置的二氧化碳濃度變化運(yùn)算,也會(huì)讓每個(gè)人切身感受到因碳排放量增加引發(fā)的全球變暖,將對(duì)人類生存環(huán)境帶來(lái)哪些巨大影響,進(jìn)而建立更好的環(huán)保意識(shí)。”

e Prize計(jì)算挑戰(zhàn)獎(jiǎng)不斷激發(fā)創(chuàng)新思維

e Prize計(jì)算挑戰(zhàn)獎(jiǎng)是ASC競(jìng)賽獨(dú)有的一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng),其命名中的“e”既是科學(xué)中最重要的自然常數(shù),同時(shí)也代表著人類下一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)性能的挑戰(zhàn)目標(biāo)——百億億次(exascale)。ASC希望e Prize計(jì)算挑戰(zhàn)獎(jiǎng)能成為青年人才的戈登·貝爾獎(jiǎng)(Gordon Bell Prize),鼓勵(lì)人才勇于解決超算應(yīng)用難題敢于挑戰(zhàn)計(jì)算性能極限,激勵(lì)青年人才利用超級(jí)計(jì)算機(jī)推動(dòng)科學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用突破。

歷屆“e Prize計(jì)算挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”賽題涵蓋石油勘探、宇宙天文、人工智能、地球海洋等領(lǐng)域,在激勵(lì)大學(xué)生創(chuàng)新熱情,促進(jìn)大規(guī)模超算應(yīng)用發(fā)展方面已取得了良好的效果。ASC16,華中科技大學(xué)代表隊(duì)針對(duì)深度學(xué)習(xí)DNN智能語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用,設(shè)計(jì)了非常出色的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案,對(duì)涉及英文、中文普通話、四川方言三個(gè)語(yǔ)種共約60萬(wàn)條語(yǔ)音數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度訓(xùn)練模型,并將計(jì)算性能最高提升108倍。ASC17,清華大學(xué)代表隊(duì)在神威·太湖之光上成功將高分辨率海洋數(shù)值模擬模式MASNUM擴(kuò)展到萬(wàn)核以上并將運(yùn)行速度提升392倍。ASC18,上海科技大學(xué)在微軟機(jī)器閱讀理解賽題中,針對(duì)模型算法和訓(xùn)練性能提出了自己獨(dú)特的創(chuàng)新及改進(jìn),8小時(shí)內(nèi)完成大規(guī)模數(shù)據(jù)集的并行模型訓(xùn)練,并實(shí)現(xiàn)46.46的高預(yù)測(cè)精度,接近世界前沿先進(jìn)水平。

未來(lái),隨著越來(lái)越多困擾人類的重大問題被選定為“e Prize計(jì)算挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”試題,全球年輕的超算天才們將憑借自己的智慧,利用超算更好的造福人類。

ASC 世界大學(xué)生超級(jí)計(jì)算機(jī)競(jìng)賽(ASC Student Supercomputer Challenge)由中國(guó)發(fā)起組織,并得到亞洲及歐美相關(guān)專家和機(jī)構(gòu)支持,旨在通過(guò)大賽平臺(tái)推動(dòng)各國(guó)及地區(qū)間超算青年人才交流和培養(yǎng),提升超算應(yīng)用水平和研發(fā)能力,發(fā)揮超算的科技驅(qū)動(dòng)力,促進(jìn)科技與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。大賽迄今已連續(xù)舉行8屆,共吸引了全球超過(guò)7000名大學(xué)生參賽,是目前全球規(guī)模最大、參與人數(shù)最多的大學(xué)生超算賽事。ASC19由亞洲超算協(xié)會(huì)、浪潮集團(tuán)和大連理工大學(xué)聯(lián)合舉辦。

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