浪潮承建南京大學超算系統(tǒng) 助研精細化數(shù)值預報

——浪潮高性能“天、地、人”系列案例(一)

在全球氣候變暖的背景下，強暴雨、強對流、高溫、干旱等極端的天氣氣候事件正在呈現(xiàn)增多的趨勢，迫使人們不得不重視極端天氣氣候事件的預報、預測和災害的防御。這種變化給大氣研究帶來了新的挑戰(zhàn)，需要更高的科技水平和科技手段來提高對災害天氣的監(jiān)測和預警能力。

在極端天氣氣候事件的研究中，預測無疑是非常關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以龍卷風為例，如能對龍卷風的產(chǎn)生地點、走向、持續(xù)時間以及影響范圍等做出準確預測，就能提前做好避險、遷移等工作，將人員和財產(chǎn)損失降到最低。目前，美國已經(jīng)可以做到提前13分鐘到15分鐘來發(fā)布龍卷風的預警，這也成為美國氣象現(xiàn)代化的標志。

1比16，天氣預測精度和超算性能之間的博弈

一般來說，天氣預報的準確度依賴于氣象數(shù)值模式的分辨率。分辨率的數(shù)值是指該模式能預測多少范圍內(nèi)的天氣變化，分辨率的數(shù)字越小表示能預測的范圍越精細，越能為突發(fā)天氣災害、百姓日常出行提供準確的天氣依據(jù)。南京大學大氣科學學院近日承擔了多項科技部973項目、國家基金委重點研究項目，其中一項就是中尺度災害性天氣機理研究和數(shù)值預報的高時空分辨率數(shù)值模擬，以及支撐全國3km高分辨率的實時數(shù)值預報研究系統(tǒng)，這種分辨率水平在國際中處于領(lǐng)先地位。

南京大學大氣科學學院是我國最早建立的氣象學系，在中尺度天氣、邊界層氣象、大氣環(huán)流與季風、短期氣候變率與預測等領(lǐng)域取得了具有國際影響和富有特色的研究成果，多次獲得省部級科技獎和國家科技進步獎。

南京大學大氣科學學院的專家介紹，“國內(nèi)大部分氣候模式的分辨率都在1-3KM左右，國外如美國已經(jīng)能開展500米甚至200米的精度的預測，要趕上歐美國家的水平需要強大的超級計算機支撐。然而，天氣預報對計算性能需求巨大，分辨率越高越需要計算性能強大的超級計算機。理論上來說，預報精度提高1倍，其所需計算量將提高16倍。”

軟、硬“兩儀”，浪潮高性能方案化解計算挑戰(zhàn)

一元生兩儀是對中國智慧的高度總結(jié)。針對南京大學大氣科學學院的需求，浪潮的解決方案頗有點“一元生兩儀”的意味，所謂一元指浪潮方案的一體化，所謂兩儀分別指浪潮一體化方案中的硬件方案和軟件方案。

在南京大學大氣科學學院的氣象研究模式中，基本采用WRF、ARP等模式。這些模式對計算性能的需求非常大，并且運行這些軟件時，各個CPU之間的通訊量也很大。同時，由于涉及大量的用戶和大量的小文件讀寫，氣象模式基本都對整個系統(tǒng)的IOPS性能都有較高要求。

在軟件的應用層面，浪潮高性能一貫提倡深度挖掘行業(yè)應用，不僅擁有一支高性能專業(yè)應用研究團隊，同時還不斷收集、積累各行業(yè)應用軟件，并進行深入測試、分析、整理，形成自己一套高性能應用特點剖析方法論。在南京大學大氣科學學院的項目中，浪潮專業(yè)應用團隊對用戶的需求進行了該方法論中的“單元測試”和“基準測試”，對用戶的應用需求進行了充分、完整的評估，然后根據(jù)評估出的數(shù)據(jù)為用戶量身定做了硬件層面的系統(tǒng)構(gòu)建方案。

在硬件層面(+微信關(guān)注網(wǎng)絡世界)，浪潮根據(jù)氣象行業(yè)的應用特點，為南京大學大氣科學學院設計構(gòu)建的超級計算機采用浪潮NF5280M3作計算節(jié)點，并配合光纖存儲系統(tǒng)浪潮AS500E，實現(xiàn)了所有節(jié)點全線速、無阻塞高速互聯(lián)，整系統(tǒng)的Linpack實測效率達到92%以上。此外，在高帶寬、大容量外，存儲的數(shù)據(jù)安全性越來越成為現(xiàn)在集群建設的一大難點，為此浪潮部署了一套并行文件系統(tǒng)，實現(xiàn)多節(jié)點的高可用，通過8Gb光纖網(wǎng)絡映射到后端存儲，保證單個節(jié)點宕機不影響系統(tǒng)正常讀寫到磁盤陣列。同時，考慮到氣象領(lǐng)域?qū)Υ鎯�空間的需求，浪潮還為該集群配置了超800T裸容量的光纖存儲系統(tǒng)，可以充分滿足大氣科學院近三年存儲需求。

據(jù)悉，浪潮構(gòu)建的這部超級計算機使南京大學大氣科學學院的氣候數(shù)值預報更精細化，目前WRF模式測試后可以開展1公里級的天氣模擬和10公里級別的短期氣候模擬;CESM全球模式則能進行1X1度左右的高分辨率全球模擬。

中國廠商具備世界級系統(tǒng)構(gòu)建能力 浪潮實力受肯定

在南京大學大氣科學學院的教授看來，將項目交給浪潮讓他們放心。“浪潮曾參與設計構(gòu)建天河2號超級計算機說明浪潮具備世界級系統(tǒng)構(gòu)建能力，同時我們也了解到我國高校最快超級計算機、我國高校第一臺百萬億次超級計算機都是浪潮設計構(gòu)建的，這說明浪潮具備成功的落地項目經(jīng)驗、了解高校用戶的切身需求，同時浪潮具備吉林省氣象局、南海海洋研究所等氣象領(lǐng)域的豐富案例，這說明浪潮具備豐富的氣象行業(yè)應用經(jīng)驗。”

據(jù)了解，浪潮設有超百人的HPC服務團隊，擁有超過10年的應用調(diào)優(yōu)經(jīng)驗、覆蓋10個以上行業(yè)將近300個應用軟件數(shù)據(jù)庫，能夠提供HPC方案選型、應用需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設計、專用產(chǎn)品技術(shù)驗證等專業(yè)級應用服務，并且在MIC、GPU等異構(gòu)計算的應用開發(fā)、應用移植方面也具備豐富的經(jīng)驗。