《電子技術(shù)應(yīng)用》
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GRAPES區(qū)域模式的輸入輸出分析和優(yōu)化
2022年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
楊 斌1,2,王敬宇3,劉衛(wèi)國(guó)1,2,蔡蕙伊2,于 翡4,5,鄧蓮堂4,5,黃麗萍4,5
1.山東大學(xué) 軟件學(xué)院,山東 濟(jì)南250101;2.國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心,江蘇 無(wú)錫214072; 3.國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心,北京100086;4.中國(guó)氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心,北京100081; 5.災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081
摘要: 新一代全球/區(qū)域多尺度統(tǒng)一的同化與數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)Global/Regional Assimilation and PreEdiction System(GRAPES)是中國(guó)氣象局(China Meteorological Administration,CMA)自主研發(fā)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)軟件。隨著對(duì)模式分辨率和預(yù)測(cè)時(shí)效性要求的提高,GRAPES的輸入輸出(I/O)性能成為了一個(gè)重要的瓶頸。分析了GRAPES區(qū)域模式的I/O行為,提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高性能I/O框架。該框架采用二進(jìn)制編碼以及多I/O通道技術(shù)實(shí)現(xiàn)了靈活可配置的輸出方式。同時(shí),通過(guò)非堵塞通信的方式實(shí)現(xiàn)了異步I/O,隱藏了I/O與通信的開(kāi)銷(xiāo)。工作在曙光“派”超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果顯示該框架不僅可以提高I/O性能達(dá)到10倍以上,也可以減少性能抖動(dòng)帶來(lái)的性能不確定性問(wèn)題。
中圖分類(lèi)號(hào): TP391
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.212422
中文引用格式: 楊斌,王敬宇,劉衛(wèi)國(guó),等. GRAPES區(qū)域模式的輸入輸出分析和優(yōu)化[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2022,48(1):39-45,52.
英文引用格式: Yang Bin,Wang Jingyu,Liu Weiguo,et al. Input/Output analysis and optimization for GRAPES regional model[J]. Application of Electronic Technique,2022,48(1):39-45,52.
Input/Output analysis and optimization for GRAPES regional model
Yang Bin1,2,Wang Jingyu3,Liu Weiguo1,2,Cai Huiyi2,Yu Fei4,5,Deng Liantang4,5,Huang Liping4,5
1.School of Software,Shandong University,Jinan 250101,China;2.National Supercomputing Center in Wuxi,Wuxi 214072,China; 3.National Research Center of Parallel Computer Engineering & Technology,Beijing 100086,China; 4.Numerical Weather Prediction Center of CMA,Beijing 100081,China;5.State Key Laboratory of Severe Weather,Beijing 100081,China
Abstract: The new generation Global/Regional Assimilation and PreEdiction System(GRAPES) is a homegrown numerical weather prediction software developed by China Meteorological Administration(CMA). As the requirements for model resolution and prediction timeliness increase, the Input/Output(I/O) performance of GRAPES becomes a critical performance bottleneck. This paper performs a deep analysis of I/O behavior for the GRAPES regional model,and proposes, designs and implements a high-performance I/O framework. This framework achieves a flexible and configurable output method through binary encoding and multiple I/O channels. At the same time, asynchronous I/O is included by non-blocking communication, which hides the I/O and communication overhead. The framework has been tested on the Sugon Pai supercomputer, and the results show that the framework can not only improve I/O performance by up to over ten times but also reduce the performance uncertainty caused by performance jitter.
Key words : I/O optimization;asynchronous I/O;GRAPES;CMA-MESO;regional model

0 引言

    天氣預(yù)報(bào)與人民財(cái)產(chǎn)和生命安全休戚相關(guān)。近年來(lái)高影響天氣事件(例如鄭州暴雨)的發(fā)生頻度和強(qiáng)度持續(xù)增加,嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)高影響天氣的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)已經(jīng)成為國(guó)際熱點(diǎn),以及國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)決策中的關(guān)鍵和迫切需求。自20世紀(jì)80年代起,數(shù)值預(yù)報(bào)已成為國(guó)際天氣預(yù)報(bào)的主流發(fā)展趨勢(shì),天氣形勢(shì)預(yù)報(bào)時(shí)效目前達(dá)到甚至超過(guò)7天,而制作更精細(xì)的數(shù)值預(yù)報(bào),提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的關(guān)鍵是進(jìn)一步提高數(shù)值預(yù)報(bào)的精確度[1]。超高分辨率模擬和高頻觀測(cè)資料的快速應(yīng)用是當(dāng)前提升數(shù)值預(yù)報(bào)精確度的關(guān)鍵,也是極其重要又極具挑戰(zhàn)的計(jì)算應(yīng)用。全球/區(qū)域多尺度統(tǒng)一的同化與數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Global/Regional Assimilation and PreEdiction System,GRAPES)[2]應(yīng)運(yùn)而生,GRAPES是我國(guó)歷時(shí)超過(guò)二十年自主研發(fā),以多尺度通用非精力動(dòng)力框架為核心開(kāi)發(fā)建立的可插拔式的新一代通用數(shù)值分析同化與預(yù)報(bào)系統(tǒng)。目前GRAPES已成為我國(guó)中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)化模式,不僅能夠預(yù)報(bào)大尺度形勢(shì)場(chǎng),而且在要素預(yù)報(bào)(如降水量、風(fēng)、濕、壓等)準(zhǔn)確性也在逐步提高,逐漸在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)一線(xiàn)發(fā)揮著越來(lái)越大的作用[3-5]




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作者信息:

楊  斌1,2,王敬宇3,劉衛(wèi)國(guó)1,2,蔡蕙伊2,于  翡4,5,鄧蓮堂4,5,黃麗萍4,5

(1.山東大學(xué) 軟件學(xué)院,山東 濟(jì)南250101;2.國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心,江蘇 無(wú)錫214072;

3.國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心,北京100086;4.中國(guó)氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心,北京100081;

5.災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081)


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