高效自动并行的海洋模式计算框架研究

Study of high-resolution ocean model heavily relies on high performance supercomputers. However, development of high performance software for large-scale numerical simulations of ocean general circulation model (OGCM) is considerably challenging, as it requires ocean modeler to be skilled both in parallel program design and performance tuning. Moreover, OGCM simulations are usually performed under various coordinate systems, spatial grid realizations and hardware platforms such as many-core heterogeneous clusters, development of OGCMs gradually becomes more and more complicated. In order to facilitate ocean modeling and large-scale numerical simulations, in this project we mathematically transform the ocean primitive partial differential equations (PDEs) into a generalized form where all variables and operators are expressed by operators, applying operators we are able to make the generalized ocean model formulation appears to be independent on a specific coordinate system and grid realization. We further develop an ocean-model-oriented computing framework that implements three-dimensional automated parallel operations for numerically solving the generalized ocean model, so that the work of ocean modeling and parallel programing are separated. Using the framework, physical oceanographers are able to focus on ocean research without caring about large-scale parallel programing.

高分辨率海洋模式的研发在很大程度上依赖于超大规模高性能计算机，开发高效的海洋模式对海洋领域科学家的并行程序设计与优化能力提出了很高要求。由于海洋模式中坐标系和空间网格选择的多样性，以及异构众核计算技术等多种因素的影响，海洋模式的研发工作日趋复杂。本项目将通过严格的数学推导将海洋模式原始方程转换为由三维算子表述的广义形式，使广义形式独立于坐标系和网格的选择，进一步构建一个简洁、灵活和高效的自动并行计算框架，用于海洋模式广义表达形式的数值求解。该计算框架能够将海洋模式的构建工作同并行程序的设计与优化工作相分离，实现“代码即方程”的效果，从而大幅度简化海洋模式程序的设计，让海洋领域科学家能专注于科学问题的研究。

高分辨率和精细化的物理过程是海洋模式发展趋势，这导致模式代码日益复杂，同时异构众核计算平台进一步增加了海洋模式开发、优化和移植难度。本项目开发了高效自动并行的海洋模式计算框架OpenArray实现模式和高性能计算解耦。首先通过数学推导得到海洋模式原始控制方程的通用算子表达形式，然后利用OpenArray提供的算子函数构建离散方程，通过自动代码生成和动态编译得到适用于不同硬件平台的可执行代码，从而实现对不同硬件平台的无缝迁移和大规模高效并行，最后基于OpenArray发展了区域高分辨率海洋模式GOMO，实现了“代码即方程”的效果，GOMO能够适用多种交错网格方案，支持在通用CPU和国产神威平台无缝迁移和大规模高效并行，并在“神威新一代计算机系统”上100万核规模相对1万核并行效率达到60.96%。OpenArray在我国自主发展的海洋环流模式LICOM3和国产非静力海洋模式MERF上得到推广应用，重构的LICOM3在19200核并行效率达到75%，并能实现墙钟时间1天积分4模式年，重构和优化后的MERF模式非静力计算规模最大缩减85%，显著提升了非静力求解效率。OpenArray不仅降低模式开发难度，且同时显著提升模式可扩展性和可移植性，为海洋模式社区提供了可行的模式研发新方法和新工具。