Rychlejší než hurikán

Superpočítače pro meteorologii Každý den provádějí meteorologové na celém světě miliony atmosférických a oceán...


Superpočítače pro meteorologii
Každý den provádějí meteorologové na celém světě miliony atmosférických a
oceánských pozorování a měření. Využívají k tomu meteorologické balony, pozemní
stanice, radary, lodě, letadla i družice. Výsledkem jsou hodnoty teploty,
tlaku, rychlosti větru a dalších fyzikálních veličin na mnoha místech Země a v
různých výškách nad povrchem.
Tyto údaje jsou pak podkladem pro předpovědi počasí. Čím více údajů, tím lépe.
A aby byla předpověď v okamžiku svého vzniku stále ještě předpovědí, musí být
vše zpracováno velmi rychle. Sečteno a podtrženo úkol jako stvořený pro
supervýkonné počítače. Na základě mezinárodních dohod uzavřených v rámci OSN
sdílejí jednotlivé státy společně prostřednictvím datových a telekomunikačních
sítí všechna naměřená data, která tak v daném časovém okamžiku dohromady
představují jakýsi globální snímek počasí na celém světě. Tento snímek pak lze
pomocí propracovaných numerických modelů extrapolovat do budoucnosti a získat
tímto způsobem meteorologickou předpověď. Vtip je v tom, že výpočty musejí
předběhnout reálný vývoj počasí čím více naměřených dat se podaří do modelu
zahrnout a v definovaném čase zpracovat a čím podrobněji a komplexněji bude
numerický model popisovat atmosférické procesy, tím bude výsledná předpověď
počasí přesnější.

Globální měřítko
"Numerické modelování není jediným nástrojem, který meteorologové používají,
představuje však velmi významný krok na cestě od meteorologického pozorování k
výsledné předpovědi," říká Gábor Radnóti, ředitel divize numerických předpovědí
Maďarské meteorologické služby. Výstupem numerického modelování počasí tedy
není hotová předpověď, jak ji známe ze sdělovacích prostředků to není v silách
ani těch nejvýkonnějších počítačů ale vzniká tak jeden z klíčových podkladů,
který je následně spolu s dalšími fakty kvalifikovanými meteorology do podoby
výsledné předpovědi interpretován.
Numerické modely jsou založeny na soustavách fyzikálně-matematických rovnic. Na
jejich základě lze spočítat předpověď pro danou oblast na určité časově omezené
období. Jedná se o složitý matematický problém, který je navíc potřeba vyřešit
velice rychle, takže potřeba velmi výkonného hardwaru je evidentní. Významným
faktorem, který ovlivňuje přesnost numerického modelu, i když zdaleka ne
jediným, je rozlišení prostorové sítě, v jejíchž uzlech jsou výpočty prováděny.
U globálního modelu mapujícího počasí v celosvětovém měřítku se zpravidla
používá rozlišení v rozmezí 50 až 100 km, nová právě testovaná a projektovaná
hardwarová řešení však slibují možnost zvýšení tohoto rozlišení na 10 až 20 km,
což by se mělo významně odrazit v detailnosti výsledných předpovědí. Vytvořit
globální model počasí na celém světě je z hlediska výpočetního výkonu velmi
složitou záležitostí, kterou si mohou dovolit pouze meteorologické služby
největších států nebo mezinárodní meteorologická sdružení. Patří mezi ně např.
NCEP (National Centers for Environmental Prediction) ve Spojených státech nebo
ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts), což je mezinárodní
organizace osmnácti členských a pěti spolupracujících evropských států (ČR
spolupracuje s ECMWF od roku 2001). Právě v sídle ECMWF v anglickém Readingu je
v průběhu letošního roku uváděn do provozu superpočítač Blue Storm. Jde o
systém IBM eServer Cluster 1600, tvořený dvěma separátními clustery, z nichž
každý sestává z 22 unixových serverů IBM eServer pSeries 690, známých také pod
původním kódovým označením Regatta. Tento systém by měl dosáhnout výkonu 7
teraflops (7 bilionů operací za sekundu) a do roku 2004 se počítá s jeho dalším
rozšiřováním až na 20 teraflops. To je 1 700krát větší výkon, než jakým
disponoval známý počítač Deep Blue v legendárním šachovém utkání s Garrym
Kasparovem. S podobným systémem, jaký je právě zaváděn v ECMWF, počítají do tří
let i v americkém NCEP.

Přesnost pro regiony
Maďarská meteorologická služba zpracovává dvakrát denně tzv. model na omezené
oblasti (limited area model) ALADIN pro teritorium Maďarska. Byť jde o model
omezený, i k jeho výpočtu je zapotřebí dostatečně těžký kalibr. Začátkem
letošního roku proto i v Budapešti nasadili 32procesorový unixový server IBM
eServer pSeries 690 (Regatta). Jde o vůbec první instalaci tohoto stroje v
regionu střední a východní Evropy v plné 32procesorové konfiguraci. "Předpovědi
na 48 hodin děláme dvakrát denně a spočítány musejí být v průběhu hodiny,
nanejvýš hodiny a půl," říká Radnóti.
Při zahrnutí všech fází předpovědního cyklu je tak finální předpověď z
půlnočních dat k dispozici zhruba v 6 hodin ráno. Osmačtyřicet hodin je přitom
maximální doba, na kterou se dá něco předpovědět z lokálního modelu, pro delší
předpovědi je potřeba vycházet z modelu globálního.
"Výsledky získané z globálních modelů máme sice k dispozici v rámci mezinárodní
výměny, vlastní omezený model však děláme proto, že má výrazně vyšší rozlišení
od ledna příštího roku budeme pracovat s rozlišením 6,5 km a navíc je náš,
takže může dobře zohledňovat všechny specifické potřeby regionu," říká Radnóti.
"Můžeme tak dělat lepší lokální předpovědi."

Středoevropská spolupráce
Aktivity Maďarské meteorologické služby v oblasti numerického modelování jsou
součástí mezinárodního projektu RC LACE (Regional Centre for Limited Area
Modelling for Central Europe), jehož účastníci se spolupodílejí na vytváření
numerického systému pro předpovědi počasí v regionu střední Evropy.
Skupina vznikla v roce 1994 za účasti České republiky, Chorvatska, Maďarska,
Rakouska, Slovenska a Slovinska. Významným mezníkem v historii projetu bylo
navázání spolupráce s francouzskou meteorologickou službou Meteo France, která
dala k dispozici svůj superpočítač Cray J916/12 v Toulouse pro vývoj a provoz
společného oblastního numerického modelu ALADIN/
/LACE. V roce 1998 pak byl tento model přenesen na vektorový počítač NEC
SX4C/3A do Českého hydrometeorologického ústavu v Praze. Všechny zúčastněné
státy používají stejný numerický model na omezené oblasti ALADIN a podílejí se
na jeho dalším zdokonalování. V různých zemích je přitom tento software
provozován na různých, výlučně unixových hardwarových platformách. Ke značkám
superpočítačů vyskytujícím se na tomto poli patří známá jména jako Cray,
Fujitsu, HP/Compaq, IBM, NEC, SGI a objevují se i pokusy s linuxovými clustery.
Přenos aplikace mezi platformami přitom není velkým problémem podíl strojově
závislého kódu lze odhadnout zhruba na 5 %. Vzhledem k obrovskému nárůstu
výkonu na straně hardwaru je dnes z hlediska dalšího zpřesňování předpovědí
limitující právě vývoj softwaru. V současné době používaná verze systému ALADIN
čítá zhruba 1 000 000 řádek strojového kódu a její vývoj dále pokračuje.
"Životní cyklus takového modelu může být zhruba 20 let," uzavírá Radnóti. "Pak
se zjistí, že model už není schopen dalšího vylepšování a začne se vymýšlet
něco nového."

Regatta pro maďarský numerický model
V budově Maďarské meteorologické služby vystřídal na počátku letošního roku IBM
eServer pSeries 690 (Regatta) svého předchůdce SGI Origin 2000. Aktuální
konfigurace Regatty zahrnuje 32 procesorů Power4 s kmitočtem 1,3 GHz, 64 GB
paměti a přibližně 400 GB diskového prostoru, který má být do konce roku
upgradován na 900 GB.
"Regatta nám ve výběrovém řízení nabídla nejlepší poměr ceny a výkonu," říká
Gábor Radnóti, ředitel divize numerických předpovědí Maďarské meteorologické
služby. "Nasadili jsme benchmarky vycházející z našeho kódu a požadovali jsme,
aby byla vzorová předpověď zpracována v daném časovém limitu. Všichni účastnící
tendru tyto podmínky dodrželi, největšího výkonu však dosáhly IBM a NEC. Pak
jsme přihlédli k ceně a ke skutečnosti, že má IBM v Maďarsku velmi dobré
zastoupení." Kontrakt byl podepsán v prosinci loňského roku. Stroj byl dodán z
Francie během měsíce. Zhruba dva týdny se instaloval operační systém a základní
software. Pak přijel do Budapešti specialista z EMEA Products and Solutions
Support Center IBM v Montpellier, který už měl zkušenosti s implementací
používaného meteorologického aplikačního softwaru, protože před rokem kupovalo
stroj IBM meteorologické centrum v Maroku. Právě tato zkušenost s aplikačním
kódem a s jeho optimalizací pro konkrétní hardware IBM se při procesu
implementace ukázala jako velmi užitečná.
Přímo v kontraktu jsou také fixovány plány na upgrade. Už proběhl upgrade
paměti, chystá se upgrade diskové kapacity a do roka a půl je plánováno
zdvojnásobení výkonu. V horizontu čtyř až pěti let by pak měl být výkon dále
zdvojnásoben na čtyřnásobek původní hodnoty. Tato potřeba je diktována dalším
vývojem aplikačního kódu, který neustále pokračuje.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.