Современная статистика свидетельствует о растущем во всем мире ущербе от опасных погодных климатических явлений. Она говорит о том, что 90% самых тяжелых экономических потерь приходятся вовсе не на такие опасные проявления природы, как извержения вулканов, цунами и землетрясения, а на более “простые”: паводки, наводнения, сильный ветер, ливневые дожди, град, засухи. Например, на территории РФ в прошлом году было зарегистрировано 967 опасных гидрометеорологических явлений, 467 из которых нанесли экономический урон, оцениваемый экспертами более чем в 50 миллиардов рублей. Отдельные погодные события экстремального характера, такие как жаркое лето и засуха 2010 года, обошлись российскому агропромышленному комплексу почти в 250 миллиардов рублей. По мнению руководителя Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) Александра Фролова, который привел эти данные на недавней пресс-конференции, минимизация потерь возможна лишь при получении заблаговременной гидрометеорологической информации, то есть при создании систем прогнозирования и предупреждения о неблагоприятных явлениях на разных масштабах времени.
Повысить точность прогнозов на каждый день и, увеличив их заблаговременность, перей-ти к моделированию климата в целом, а также грамотно подготовиться к грядущей модернизации не только вычислительных мощностей, но и всей своей наблюдательной сети Росгидромету поможет новый энергоэффективный высокопроизводительный кластер. Созданный на основе процессоров Intel Xeon серии 5600 с использованием жидкостного охлаждения, он обладает уникальными характеристиками рекордно низкого энергопотребления и высокой вычислительной эффективности. Разработчиком технологического решения и интегратором установки пилотной кластерной системы с пиковой производительностью 15,33 TFlops (и возможностями дальнейшего расширения) выступила группа компаний РСК.
Новый вычислительный кластер Росгидромета основан на разработанной РСК инновационной архитектуре “РСК Торнадо”, впервые продемонстрированной нынешним летом в Гамбурге на ведущей европейской отраслевой выставке International Supercomputer Conference (“Поиск” № 27-28, 2011). Архитектура “РСК Торнадо” обеспечивает гибкость конфигурации вычислительных узлов со стандартными интерфейсами, простоту построения решения, высокую ремонтопригодность.
На текущий момент пилотная кластерная система, установленная в Росгидромете, состоит 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.
Как сообщил на презентации кластера исполнительный директор группы компаний РСК Алексей Шмелев, инновационная архитектура “РСК Торнадо” с передовым жидкостным охлаждением позволила создать для Росгидромета вычислительный кластер, удовлетворяющий всем жестким критериям, предъявляемым к системам подобного класса. Кроме того, он обладает поистине уникальными характеристиками: низким уровнем энергопотребления в сочетании с рекордным показателем эффективности использования электроэнергии: PUE всего 1,06 (то есть не более 5,7% энергопотребления будет расходоваться на охлаждение всей системы) и большой вычислительной эффективностью (рекордно высокий коэффициент — более 92% на тесте LINPACK).
— Этот пилотный проект стратегически важен для нас не только из-за реализованных в нем технологических инноваций и перспектив дальнейшего развития, но и вследствие высокой социальной значимости тех задач, которые сможет решать Росгидромет с помощью нового энергоэффективного высокопроизводительного комплекса, — подчеркнул Алексей Шмелев.
Руководитель Росгидромета Александр Фролов рассказал журналистам, что условный экономический эффект от выпуска более точных и детализированных прогнозов погоды и предупреждений о грядущих опасных гидрометеорологических явлениях по итогам прошлого года оценивается специалистами его службы в сумму порядка 24 миллиардов рублей:
— Надо сказать, что за последние 10-15 лет российская гидрометеорологическая наука достигла значительных успехов. Среди них я бы отметил создание нескольких моделей прогнозов погоды с разной заблаговременностью и разными пространственно-временными масштабами. Например, региональные модели с шагом в несколько километров дают возможность прогнозировать явления от нескольких минут до нескольких суток. Глобальные модели дают прогноз по всему земному шару. Самое главное, у нас появилась возможность раздвинуть горизонт прогнозирования и получить сведения об ожидаемых погодных явлениях на срок семь — десять суток, о чем мы раньше не могли и мечтать. Кроме того, теперь есть сезонные прогнозы, построенные на глобальных моделях погодно-климатического характера. Они позволяют давать прогнозы крупных аномалий, таких как, например, Эль-Ниньо.
В настоящее время Росгидромет решает широкий спектр сложных задач в области обработки гидрометеорологических данных, моделирования и прогнозирования процессов в атмосфере и океане, требующих больших вычислительных ресурсов и высокой эффективности их использования. Метеорологический центр в Москве наряду с центрами в Вашингтоне и Мельбурне является одним из трех мировых метеорологических центров Всемирной метеорологической организации (ВМО). В рамках ВМО Мировой метеорологический центр в Москве обеспечивает выполнение международных обязательств России по обмену прогностической информацией и данными гидрометеорологических наблюдений.
Благодаря проекту модернизации и технического перевооружения организаций и учреждений Росгидромета в 2009 году был введен в эксплуатацию мощный — по тем временам — вычислительный комплекс с суммарной пиковой производительностью 27 TFlops. Он позволил ученым Гидрометцентра России реализовать накопленный научный потенциал в развитии прогностических моделей. Но эти возможности мы за три последних года исчерпали почти полностью: взрывной характер внедрения в оперативную практику глобальных моделей с шагом 30-40 км и мезомасштабных моделей с шагом
2-7 км в течение двух лет требует от нас ввода все новых и новых мощностей.
С этим мнением полностью согласен и директор Гидрометцентра РФ Роман Вильфанд:
— 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. Отсутствие необходимых вычислительных мощностей сдерживает ученых Гидрометцентра России.
В 1995 году в Росгидромете был установлен первый суперкомпьютер, на котором была реализована описывающая процессы в атмосфере модель полусферного масштаба. В 1999 году мы впервые реализовали глобальную модель. Однако существенного достижения точности описания атмосферных процессов и прогнозов погоды нам удалось достичь лишь совсем недавно — в 2009 году, с установкой в Главном вычислительном центре (ГВЦ) Росгидромета того кластера, о котором уже упоминалось выше. Именно тогда мы стали решать такие системы уравнений, которые раньше были немыслимы, — гидростатические уравнения движения жидкостей. Это очень сложные задачи, решить их возможно только на самых современных, мощных вычислительных платформах.
Приведу яркий пример: москвичи до сих пор помнят события 26 декабря прошлого года, когда в нашем регионе отмечался так называемый ледяной дождь — выпадение переохлажденной влаги. Этот крайне непростой процесс был нами четко предсказан в мезомасштабной модели за два дня до наступления самого события. Может, вы обратили внимание, что в тот раз к Росгидромету не было претензий ни со стороны энергетиков, ни со стороны МЧС, что по нынешним временам редкость. Ледяной дождь — явление очень сложное, происходит, когда атмосфера стратифицирова на необычным образом: в тот день на высоте примерно 1300-1500 м над Землей температура была выше нуля, в то время как выше и ниже этого слоя она была отрицательной. В результате снежинки, которые выпадали сверху, таяли в среднем теплом слое, а потом замерзали, спускаясь на землю. Все это было предсказано в нашей модели, создание которой стало возможным только благодаря расчетам, произведенным на суперкомпьютере.
Как сообщил Александр Фролов, к Сочинской олимпиаде его служба собирается создать специальные модели очень высокого разрешения:
— Для европейской территории уже создана модель с шагом 7 км между точками по горизонтали. Для места проведения Олимпиады — Черное море, Кавказский регион — создана модель с шагом 2 км. Сейчас мы сделали научную разработку, где совместили две модели с еще меньшим шагом, чтобы описывать изменения погоды в горных районах. Ведь в горах на разных склонах — часто разная погода. Предстоит и дальше “мельчить” масштабы, а для этого понадобится провести колоссальные вычисления.
Сейчас мы ведем переговоры с Правительством РФ и Международным банком реконструкции и развития о создании нового проекта модернизации, в котором предусмотрено существенное увеличение вычислительных мощностей. По большому счету, речь идет о том, что надо построить модели принципиально нового поколения: системы планеты Земля. Они должны включать в себя не только циркуляцию атмосферы и океана, но также и деятельный слой почвы, поверхностные воды суши, химические, биологические процессы, процессы в растительном и животном мире. Все это нужно, чтобы создавать “бесшовно” непрерывный прогноз — от нескольких минут до нескольких тысячелетий. Для проведения таких работ понадобится новый суперкомпьютер производительностью не менее 1 PFlops. При этом нам нужно найти решение, отвечающее все возрастающим требованиям энергоэффективности в условиях существенных ограничений по доступности электроэнергии и необходимости снижения прочих эксплуатационных расходов.
С 2003 года в наших работах по оптимизации прогностических алгоритмов в вычислительных средах с высоким уровнем распараллеливания принимали участие специалисты корпорации Intel. В 2008 году Росгидромет и Intel даже создали совместный Центр компетенции высоких технологий в гидрометеорологии. Благодаря длительной совместной работе профессионалов с обеих сторон нам 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.
В рамках представленного журналистам пилотного проекта на основе стандартной архитектуры х86 уже в этом году производительность вычислительного кластера ГВЦ Росгидромета будет увеличена до 30 TFlops без изменения габаритов системы.
Новый энергоэффективный кластер, установленный специалистами РСК при поддержке Intel, по сути является первым испытательным стендом в процессе подготовки следующего этапа модернизации Росгидромета, а также поможет в выборе подходящих моделей и направлений решения прикладных задач.
Анна ШАТАЛОВА
Фото автора
Нет комментариев