4月25日,在2019 ASC世界大學生超級計算機競賽(ASC19)總決賽中,中山大學代表隊一舉奪得引人矚目的e Prize計算挑戰(zhàn)獎,將地球系統(tǒng)模式CESM的全模式運算時間縮短至1.83小時。這也是中山大學第二次獲得該項殊榮,ASC15總決賽中山大學針對SKA (平方公里射電望遠鏡陣列)的天文計算Gridding軟件實現(xiàn)了600倍的加速效果,獲得當年的e Prize計算挑戰(zhàn)獎。

CESM:全球頂級超算中的“殺手級”應(yīng)用

地球系統(tǒng)模式CESM是當今國際上最先進、應(yīng)用最為廣泛的氣候模型,同時也是聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)撰寫第五和第六次評估報告所使用的主要氣候模型之一。CESM是一個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、流體力學等方程式,外加由實際觀測得到的氣候場資料作為起始狀態(tài),最終在超級計算機上再現(xiàn)氣候變化的過程。科學家們運用CESM來模擬海洋生態(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物質(zhì)對氣候的影響,大氣、海洋和地表的碳循環(huán),以及溫室氣體對高層大氣的影響等,還可以探索更廣闊的應(yīng)用空間。

CESM對計算資源的需求十分巨大,是神威·太湖之光、天河二號、泰坦等全球頂級超級計算機中的“殺手級”應(yīng)用。一方面,全球氣候變化是一個長期過程,利用CESM進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)不同的模擬場景和算例的分辨率,計算核心數(shù)量可從數(shù)百個擴展到數(shù)百萬個。因此,如何更好的優(yōu)化CESM運算進程,已成為計算地球科學領(lǐng)域一個重要研究課題。

中山大學成功提速CESM

ASC19組委會統(tǒng)一提供了2010年的全球大氣歷史數(shù)據(jù),要求總決賽20強隊伍在3000W功耗約束下自行設(shè)計構(gòu)建超算系統(tǒng),在限定時間內(nèi)完成CAM4、CAM5兩個大氣模式的計算,以及在二氧化碳濃度翻倍的條件下CESM的全模式計算。經(jīng)過實際測試,在ASC統(tǒng)一提供的8臺浪潮AI超算服務(wù)器NF5280M5組成的集群中(功耗限制3000W),使用標準CESM模型運行該數(shù)據(jù)集需4小時完成計算。而參賽隊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,CPU計算資源普遍不足,因此必須對CESM氣候模型進行優(yōu)化,才能在限定的時間內(nèi)完成賽題并確保運算精度。

中山大學代表隊在決賽前對CESM進行了細致的分析,認為CESM大氣分量模式的動力框架及物理過程的計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,多個分量模式在計算中可實現(xiàn)進程復用。因此,中山大學代表隊在決賽中設(shè)計出CESM的多線程運行方法,對進程通訊、內(nèi)存訪問以及向量化等進行大量優(yōu)化,在7臺浪潮AI超算服務(wù)器NF5280M5組成的超算系統(tǒng)中,成功將CESM全模式運算時間縮短至1.83小時,一舉摘得本屆大賽的e Prize計算挑戰(zhàn)獎。

中山大學代表隊指導老師豐光南表示:“很高興看到ASC又一次將國際大科學工程中的核心HPC應(yīng)用帶到比賽中來,地球系統(tǒng)模式CESM是很多科學家在實際科研中會用到的一個前沿應(yīng)用,這種賽題設(shè)計會讓學生提前感受到真實的科研環(huán)境,激發(fā)他們對科學的興趣和熱情,同時也會推動應(yīng)用的發(fā)展。”

作為CESM賽題的提供方,中國科學院大氣物理研究所所長助理、LASG國家重點實驗室副主任周天軍表示:“CESM賽題一方面會讓大學生們接觸到目前國際上最前沿的氣候變化科學工程,另一方面決賽中特別設(shè)置的二氧化碳濃度變化運算,也會讓每個人切身感受到因碳排放量增加引發(fā)的全球變暖,將對人類生存環(huán)境帶來哪些巨大影響,進而建立更好的環(huán)保意識。”

e Prize計算挑戰(zhàn)獎不斷激發(fā)創(chuàng)新思維

e Prize計算挑戰(zhàn)獎是ASC競賽獨有的一個獎項,其命名中的“e”既是科學中最重要的自然常數(shù),同時也代表著人類下一個超級計算機性能的挑戰(zhàn)目標——百億億次(exascale)。ASC希望e Prize計算挑戰(zhàn)獎能成為青年人才的戈登·貝爾獎(Gordon Bell Prize),鼓勵人才勇于解決超算應(yīng)用難題敢于挑戰(zhàn)計算性能極限,激勵青年人才利用超級計算機推動科學與工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用突破。

歷屆“e Prize計算挑戰(zhàn)獎”賽題涵蓋石油勘探、宇宙天文、人工智能、地球海洋等領(lǐng)域,在激勵大學生創(chuàng)新熱情,促進大規(guī)模超算應(yīng)用發(fā)展方面已取得了良好的效果。ASC16,華中科技大學代表隊針對深度學習DNN智能語音識別應(yīng)用,設(shè)計了非常出色的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案,對涉及英文、中文普通話、四川方言三個語種共約60萬條語音數(shù)據(jù)實現(xiàn)了高準確度訓練模型,并將計算性能最高提升108倍。ASC17,清華大學代表隊在神威·太湖之光上成功將高分辨率海洋數(shù)值模擬模式MASNUM擴展到萬核以上并將運行速度提升392倍。ASC18,上?？萍即髮W在微軟機器閱讀理解賽題中,針對模型算法和訓練性能提出了自己獨特的創(chuàng)新及改進,8小時內(nèi)完成大規(guī)模數(shù)據(jù)集的并行模型訓練,并實現(xiàn)46.46的高預測精度,接近世界前沿先進水平。

未來,隨著越來越多困擾人類的重大問題被選定為“e Prize計算挑戰(zhàn)獎”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 世界大學生超級計算機競賽(ASC Student Supercomputer Challenge)由中國發(fā)起組織,并得到亞洲及歐美相關(guān)專家和機構(gòu)支持,旨在通過大賽平臺推動各國及地區(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)動力,促進科技與產(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7000名大學生參賽,是目前全球規(guī)模最大、參與人數(shù)最多的大學生超算賽事。ASC19由亞洲超算協(xié)會、浪潮集團和大連理工大學聯(lián)合舉辦。

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