Кто улучшает прогноз погоды?
27 октября на специальной пресс-конференции Росгидромет, группа компаний РСК и корпорация Intel представили инновационный энергоэффективный высокопроизводительный кластер. Новый вычислительный кластер Росгидромета, созданный на основе процессоров Intel Xeon серии 5600 с использованием жидкостного охлаждения, обладает уникальными характеристиками рекордно низкого энергопотребления и высокой вычислительной эффективности.
Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), группа компаний РСК и корпорация Intel представили новый энергоэффективный высокопроизводительный кластер, созданный на основе процессоров Intel Xeon серии 5600 с использованием жидкостного охлаждения. Группа компаний РСК выступила разработчиком технологического решения и интегратором установки пилотной кластерной системы с пиковой производительностью 15,33 TFLOPS (триллионов операций в секунду) с возможностями дальнейшего расширения. Это высокопроизводительное решение является инструментом российских метеорологов для дальнейшего развития оперативных технологий с целью повышения точности, заблаговременности и детализации прогнозов погоды.
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.
Первое выступление на пресс-конференции сделал руководитель Росгидромета А.В. Фролов. Он подчеркнул, что статистика свидетельствует о растущем экономическом ущербе от воздействия опасных погодно-климатических явлений на экономику. Важно отметить, что почти 90% всех природных катастроф вызваны не землетрясениями и извержениями вулканов, а гидрометеорологическими явлениями, такими как ураганы, смерчи, ливни и в первую очередь наводнениями и засухами.
В 2010 году на территории Российской Федерации было зарегистрировано 967 опасных гидрометеорологических явлений (ОЯ), из которых 467 нанесли значительный ущерб отраслям экономики (за 2009 год их был 362, за 2007 год, считавшийся аномальным по числу опасных явлений погоды, наблюдалось 421 ОЯ). Прямой ежегодный ущерб по России от ОЯ гидрометеорологического происхождения оценивается в в 40-60 миллиардов рублей, но только засуха лета 2010 года стоила АПК около 250 миллиардов рублей.
Минимизация этого ущерба возможна при получении заблаговременной информации об опасных природных явлениях, и ее оперативном использовании органами власти и населением.
По словам г-на Фролова, гидрометеорологическая наука достигла в России значительных успехов за последние годы в способности прогнозировать опасные погодно-климатические явления. Как пример, региональные модели Гидрометцентра России с пространственным разрешением в несколько км и временными масштабами от минут до нескольких дней обеспечивают успешные прогнозы атмосферных циклонов и фронтов, ливней, града, снегопада, сильного ветра и вызываемых этими явлениями штормовых нагонов, быстроразвивающихся паводков, в частности на горных реках. Глобальные прогнозы на три дня стали по точности сравнимыми с прогнозами погоды 10 лет назад на один день, прогнозы на пять дней как прогнозы 10 лет назад на три дня с возросшей способностью идентифицировать возможные изменения погоды на 7-10 суток. Сезонные прогнозы дают полезную информацию о крупных аномалиях, таких как Эль-Ниньо.
Следующий шаг состоит в создании комплексной модели системы планеты Земля, учитывающей физические, химические и биологические процессы в атмосфере, океане, почве и их нелинейное взаимодействие. Такого рода модели можно назвать моделями погоды и климата нового поколения. С их помощью планируется создать систему бесшовного прогноза от нескольких минут до десятков лет.
В настоящее время Росгидромет приступил к подготовке следующей стадии Проекта комплексной модернизации, включая модернизацию вычислительных мощностей. В рамках подготовки нового проекта выполняются работы по анализу комплексной эффективности различных вычислительных архитектур для задач Росгидромета.
Введенный Росгидрометом в эксплуатацию в марте 2009 года вычислительный комплекс с суммарной пиковой производительностью 27 TFLOPS позволил ученым Гидрометцентра России реализовать накопленный к данному моменту научный потенциал в развитии прогностических моделей. 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 практически исчерпал вычислительные ресурсы ранее установленного вычислительного кластера.
«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 (пятьсот триллионов операций в секунду). И отсутствие требующихся вычислительных мощностей сдерживает ученых и практиков Гидрометцентра России», - подчеркнул Роман Вильфанд, директор Гидрометцентра России.
«При подготовке следующего этапа модернизации с увеличением вычислительной мощности минимум в 10-15 раз нам нужно найти решение, отвечающее все возрастающим требованиям энергоэффективности в условиях существенных ограничений по доступности электроэнергии и необходимости снижения прочих эксплуатационных расходов, - поясняет директор ГВЦ Росгидромета Владимир Анцыпович. - Высокопроизводительное решение РСК на основе процессоров Intel Xeon серии 5600 с использованием жидкостного охлаждения, обладающее высоким уровнем компактности и низким энергопотреблением в сочетании с возможностями для дальнейшего наращивания мощности и масштабирования при одновременном обеспечении высокой надежности, отвечает достаточно жестким критериям Росгидромета, предъявляемым к вычислительным комплексам на современном этапе».
Группа компаний РСК, разработчик и интегратор «полного цикла» суперкомпьютерных решений нового поколения на основе архитектур корпорации Intel и передового жидкостного охлаждения, провела глубокую модернизацию поставленного по контракту с ГВЦ Росгидромета оборудования до уровня пилотной системы, обладающей на данный момент пиковой производительностью 15,33 TFLOPS.
Новый вычислительный кластер Росгидромета основан на разработанной РСК инновационной архитектуре «РСК Торнадо», впервые продемонстрированной на ведущей европейской отраслевой выставке International Supercomputer Conference (ISC), прошедшей в Гамбурге в июне 2011 г. «РСК Торнадо» - это первое в мире энергоэффективное суперкомпьютерное решение с передовым жидкостным охлаждением для массово доступных стандартных серверных плат на базе процессоров Intel Xeon, изначально создававшихся для традиционных систем с воздушным обдувом электронных компонент. Архитектура «РСК Торнадо» обеспечивает гибкость конфигурации вычислительных узлов со стандартными интерфейсами и простоту построения решения, высокую ремонтопригодность (простота замены модулей оперативной памяти и увеличения ее объема, обновление на новые модели процессоров), возможность интеграции с любыми внешними изделиями со стандартными интерфейсами (PCI Express).
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 Гбайт (суммарный объем оперативной памяти всей системы составляет 4608 Гбайт). Коммуникационная сеть построена на базе высокоскоростного интерфейса Infiniband QDR. Уже в рамках пилотной системы вычислительный кластер обладает следующими уникальными характеристиками:
«Инновационная архитектура «РСК Торнадо» с передовым жидкостным охлаждением позволила создать вычислительный кластер Росгидромета, который не только удовлетворяет всем жестким критериям, предъявляемым к системам подобного класса, но и обладает поистине уникальными характеристиками: низким уровнем энергопотребления в сочетании с рекордным показателем эффективности использования электроэнергии и большой вычислительной эффективностью. 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», - отметил Алексей Шмелев, исполнительный директор группы компаний РСК.высокая энергоэффективность - показатель эффективности использования электроэнергии (Power Usage Effectiveness, PUE) достигает рекордного для HPC-индустрии значения 1,06 (соотношение «энергопотребление всей системы/энергопотребление электронных компонент»). То есть не более 5,7% энергопотребления будет расходоваться на охлаждение всей системы; высокая вычислительная плотность и, как следствие, компактность; рекордно высокий коэффициент вычислительной эффективности - более 92% на тесте LINPACK; простота и высокая надежность; экономическая эффективность; высокая масштабируемость; возможность использования ускорителей (архитектуры Intel MIC).
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.
С 2003 года специалисты корпорации Intel принимали участие в работах Росгидромета по оптимизации прогностических алгоритмов в вычислительных средах с высоким уровнем распараллеливания. В апреле 2008 года Росгидромет и корпорация Intel объявили о создании Центра компетенции высоких технологий в гидрометеорологии. Задачами данного Центра являются исследования в области вычислительных структур в применении к задачам оперативной гидрометеорологии и оптимизация соответствующих вычислительных алгоритмов.
«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. А лидирующие по производительности процессоры Intel Xeon позволят Росгидромету получить необходимую дополнительную вычислительную мощность для решения этих задач», - сказала Юлия Клебанова, директор по работе с корпоративными заказчиками корпорации Intel в странах СНГ.
После презентации г-н Анципович провел журналистов по этажам Росгидрометцентра, продемонстрировав им и старый и новый кластера, а также новую ситуационную комнату.
Ранее редакция THG.ru рассказывала, что 20-23 июня 2011 года в Гамбурге прошла ведущая международная конференция-выставка по суперкомпьютерной тематике ISC'11. В её работе принял участие наш специальный корреспондент.
