基于國產高性能計算機的GRAPES性能優(yōu)化研究.pdf

1、數值天氣預報系統(tǒng)是一個高性能計算技術與數值天氣預報技術結合的綜合性學科。數值天氣預報技術的發(fā)展是推動高性能計算機發(fā)展的重要動力,而高性能計算的發(fā)展為數值天氣預報系統(tǒng)采用更加復雜準確的預報模型提供了軟硬件基礎。近年來,高性能計算機的性能不斷攀升,出現了以異構眾核處理器為組建部件的異構高性能計算機。與傳統(tǒng)的單核或多核處理器相比,異構處理器的存儲體系和訪存方式發(fā)生了巨大的變化,需要研究新的并行計算方法發(fā)揮異構高性能計算機的體系結構優(yōu)勢。

2、>　　GRAPES是我國自主研發(fā)的新一代研究/業(yè)務數值天氣預報系統(tǒng),其通信模式和計算過程復雜,代碼量高達十萬余行。如何利用新一代國產異構高性能計算機的體系結構優(yōu)勢,提高 GRAPES模式在國產高性能計算機上的運算效率和計算速度,達到實際數值預報業(yè)務的時限要求,改善 GRAPES模式在大規(guī)模并行時的可擴展性,是亟待研究的問題。
　　本文研究了GRAPES的計算原理,對GRAPES程序結構進行了分析并找到影響 GRAPES并行效率和可

3、擴展性的熱點子程序。通過對國產高性能計算系統(tǒng)的深入了解,構建了實驗所需的MPI并行環(huán)境。針對模式I/O及初始化部分“通信熱點”集中,系統(tǒng)消息緩存過大等問題,為各個子程序分別設計了高效的通信策略,有效提升了程序的可擴展性和運行速度,其中部分子程序的性能提升達到5倍以上。對于模式迭代積分過程,設計了“粗粒度MPI并行+細粒度眾核并行”多級異構并行方案,充分利用異構高性能計算機的體系結構優(yōu)勢,使用數量眾多的協處理器為 GRAPES模式的迭代積

4、分過程提供加速效果,并提出了幾種多級異構并行方案的優(yōu)化策略,有效提升了該方案的并行效率,在使用4096至256顆處理器核進行10天預報迭代積分過程時,可分別減少1至6個小時不等的運行時間。
　　通過使用兩種不同分辨率的輸入數據,在多個并行規(guī)模下對優(yōu)化方案進行測試,得到了程序各部分消耗的墻鐘時間,并計算了程序的加速比和并行效率。實驗結果表明,本文設計的各種優(yōu)化方案有效地提高了GRAPES模式的運行效率,改善了GRAPES模式的可擴展