Все говорят о погоде

Прогноз погоды является результатом решения системы уравнений, или нескольких систем уравнений с различными параметрами. Вычисление проводится параллельно, иногда многократно. Однако результат никогда не бывает точным на 100%. Не потому что специалисты недостаточно квалифицированы, просто система уравнений не имеет однозначного решения.

Параметры для системы уравнений – это информация с многих датчиков, установленных на метеорологических станциях (спутники, морские суда, стационарные объекты и так далее). В мире их 10 тысяч, Росгидромет располагает 1855-ю. Для справки: частица воздуха облетает Землю за 10 дней.

Вообще, прогноз погоды – это результат усилий метеорологов разных стран. Самодостаточны в этом отношении только США и Великобритания. Остальные страны не располагают достаточными ресурсами. Прогноз погоды является одной из самых трудоемких задач в мире.

Руководитель Росгидромета Александр Фролов рассказал, что Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды решает сегодня широкий спектр задач. Это обработка гидрометеорологических данных, моделирование и прогнозирование процессов в атмосфере и океане. Для этого требуются большие вычислительные ресурсы и высокая эффективность их использования.

Московский Метеорологический центр является одним из трех мировых метеорологических центров Всемирной метеорологической организации (ВМО). Из двух остальных – один центр расположен в Вашингтоне, другой – в Мельбурне. В Рамках ВМО Московский центр обеспечивает выполнение международных обязательств России по обмену прогностической информацией и данными гидрометеорологических наблюдений.

В марте 2009 года Росгидромет начал эксплуатацию вычислительного комплекса с суммарной производительностью 27 TFLOPS. К этому моменту специалисты Росгидромета разработали глобальные прогностические модели с шагом 30-40 км и мезомасштабные модели с шагом 2-7 км. Введение их в оперативную практику в течение двух лет привело к исчерпанию вычислительных ресурсов этого вычислительного кластера.

Роман Вильфанд, директор Гидрометцентра России, подчеркнул: «Для повышения точности и детализации прогнозов погоды необходимо увеличение пространственно-временного разрешения моделей и их физического насыщения. Научная обоснованность моделирования процессов в атмосфере позволяет уже сейчас решать данные задачи на вычислительных мощностях порядка 0,5 PFLOPS». Естественно, отсутствие требующихся вычислительных мощностей сдерживало ученых и практиков Гидрометцентра России.

Новый вычислительный кластер Росгидромета имеет архитектуру «РСК Торнадо». Это решение было поставлено Главному вычислительному центру Росгидромета Группой компаний РСК по соответствующему контракту. На текущий момент это пилотная кластерная система, состоящая из 96 вычислительных узлов, каждый из которых содержит по два наиболее высокопроизводительных процессора Intel Xeon 5680 с тактовой частотой 3,33 ГГц (всего 192 процессора). В системе реализован большой объем оперативной памяти на один узел – 48 Гб (суммарный объем оперативной памяти всей системы составляет 4608 Гб). Коммуникационная сеть построена на базе высокоскоростного интерфейса Infiniband QDR.

В рамках пилотной системы вычислительный кластер обладает уникальными характеристиками. В частности, показатель эффективности использования электроэнергии (Power Usage Effectiveness, PUE) достигает значения 1,06 (это соотношение «энергопотребление всей системы/энергопотребление электронных компонент»). То есть, на охлаждение всей системы будет расходоваться не более 5,7% энергопотребления. Система очень компактна, надежна – узлы можно заменять без выключения кластера. Коэффициент вычислительной эффективности – более 92% на тесте LINPACK.

Система обладает высокой масштабируемостью. В рамках пилотного проекта на основе стандартной архитектуры х86 уже в этом году производительность вычислительного кластера в ГВЦ Росгидромета будет увеличена до 30 TFLOPS без изменения габаритов системы. В дальнейшем производительность общего кластера будет увеличении до 60 TFLOPS.

В работах Росгидромета по оптимизации прогностических алгоритмов в вычислительных средах с высоким уровнем распараллеливания c 2003 года принимали участие специалисты корпорации Intel. В апреле 2008 года Росгидромет и корпорация Intel объявили о создании Центра компетенции высоких технологий в гидрометеорологии. Центр занимается исследованиями в области вычислительных структур в применении к задачам оперативной гидрометеорологии и оптимизацией соответствующих вычислительных алгоритмов. Юлия Клебанова, директор по работе с корпоративными заказчиками корпорации Intel в странах СНГ, отметила, что благодаря длительной совместной работе специалистов обеих сторон удалось оптимизировать прогностические модели, применяемые в Росгидромете для кластерных систем на основе архитектуры х86. «Это позволило максимально быстро адаптировать внедренный вычислительный комплекс под текущие оперативные задачи», - подчеркнула Юлия Клебанова.

Директор ГВЦ Росгидромета Владимир Анцыпович рассказал, что готовится следующий этап модернизации с увеличением вычислительной мощности кластерного решения минимум в 10-15 раз.