基于ESMF的POP海洋模式组件化设计与并行方法研究.PDF

40 《高性能计算发展与应用》 2014年第二期 总第四十七期 基于ESMF的POP海洋模式组件化 设计与并行方法研究  叶斯 栾钟治 谭超 钱德沛 北京航空航天大学中德软件技术联合研究所 北京100191yesshi06@  王兰宁 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院 北京100875 摘要： 随着气候模式研究向着多物理过程、高分辨率模拟的方向发展，模式的复杂度和规模不断 提高。传统的模式往往采用模块紧耦合的开发方式，并且依赖特定软硬件计算环境，这使得模 式的移植、更新和相同功能代码重用变得极其困难，严重影响了气候模式的开发效率。特别是 在高性能计算环境下，气候科学家往往需要花费大量的时间与精力去了解模式代码和具体的计 算机软硬件细节，才能实现自己所关注的物理模型。为了减轻气候科学家在模式开发上的学习 负担，提高模式代码的可重用性、可移植性和并行性能,本文基于地球系统建模框架(Earth System Modeling Framework, ESMF)的标准接口以及并行架构，以并行海洋模式 POP)为对象，构建了一种组件化的海洋模式。在此基础上，通过分析模式组件的特性，提出了 一套适用于组件化海洋模式的并行化方法。 关键字：ESMF，海洋模式，组件化 引言 何减少气候科学家在模式开发上的学习负担，提高 气候模式研究从出现开始就和高性能计算密 用户代码的模式代码的可重用性、可替换性和并行 不可分。这些年来，随着研究的不断深入，模式正 性能是一个急需解决的问题。 朝着高分辨率、多物理过程、高计算速度的方向发 针对这个问题，目前的解决方法是通过统一的 展。模式的精确度越来越高，但与此同时模式自身 接口与底层架构，实现标准的组件化模式，使用户 的规模也在变得越来越庞大，传统的采用紧耦合方 可以专注于自身领域的研究，快速将研究成果以组 式设计的模式由于功能之间的调用关系复杂，数据 件的方式实现。但是由于模式的发展先于模式框架 在全局范围内共享，要进行模式的更新，往往需要 研究，要将整个模式研究成果转向组件化需要花费 对许多相关的函数进行修改，这极大地增加了模式 大量的时间与精力，当前研究重点主要集中在分量 [1]-[7] 的维护与更新工作的负担。与此同时，模式复杂化 模式之间的组件化与耦合设计 ，通过统一的接口 也加大了模式对高性能计算的需求，模式计算所依 来耦合各个气候领域的研究成果，从而把模式更新 赖的软硬件环境越来越复杂。在这样的情况下，要 与维护的工作分散到各个模式开发小组当中。但这 在模式之上做进一步的研究与发展，气候科学家往 种分量模式组件的规模仍然非常庞大，并且组件内 往需要花费大量精力来了解整个模式的并行架构以 部有关并行的实现也没有遵循统一的底层标准，使 及高性能计算机的软硬件细节，并对底层代码做大 得不同模式间相同功能代码的重用仍然极其困难， 量的工作，才能开发出符合模式架构的物理模型实 气候科学家在进行进一步研究时仍然需