Exploiting multiple levels of parallelism and online refinement of unstructured meshes in atmospheric model application

Abstract

Previsões meteorológicas para longos períodos de tempo estão se tornando cada vez mais importantes. A preocupação mundial com as consequências da mudança do clima tem estimulado pesquisas para determinar o seu comportamento nas próximas décadas. Ao mesmo tempo, os passos necessários para definir uma melhor modelagem e simulação do clima e/ou tempo estão longe da precisão desejada. Aumentar o refinamento da superfície terrestre e, consequentemente, aumentar o número de pontos discretos (utilizados para a representação da atmosfera) na modelagem climática e precisão das soluções computadas é uma meta que está em conflito com o desempenho das aplicações numéricas. Aplicações que envolvem a interação de longos períodos de tempo e incluem um grande número de operações possuem um tempo de execução inviável para as arquiteturas de computadores tradicionais. Para superar esta situação, um modelo climatológico pode adotar diferentes níveis de refinamento da superfície terrestre, utilizando mais pontos discretos somente em regiões onde uma maior precisão é requerida. Este é o caso de Ocean-Land-AtmosphereModel, que permite o refinamento estático de uma determinada região no início da execução do código. No entanto, um refinamento dinâmico possibilitaria uma melhor compreensão das condições climáticas específicas de qualquer região da superfície terrestre que se tivesse interesse, sem a necessidade de reiniciar a execução da aplicação. Com o surgimento das arquiteturas multi-core e a adoção de GPUs para a computação de propósito geral, existem diferentes níveis de paralelismo. Hoje há paralelismo interno ao processador, entre processadores e entre computadores. Com o objetivo de extrair ao máximo a performance dos computadores atuais, é necessário utilizar todos os níveis de paralelismo disponíveis durante o desenvolvimento de aplicações concorrentes. No entanto, nenhuma interface de programação paralela explora simultaneamente bem os diferentes níveis de paralelismo existentes. Baseado neste contexto, esta tese investiga como explorar diferentes níveis de paralelismo em modelos climatológicos usando interfaces clássicas de programação paralela de forma combinada e como é possível prover refinamento de malhas em tempo de execução para estes modelos. Os resultados obtidos a partir de implementações realizadas mostraram que é possível reduzir o tempo de execução de uma simulação atmosférica utilizando diferentes níveis de paralelismo, através do uso combinado de interfaces de programação paralela. Além disso, foi possível prover maior desempenho na execução de aplicações climatológicas que utilizam refinamento de malhas em tempo de execução. Com isso, uma malha de maior resolução para a representação da atmosfera terrestre pode ser adotada e, consequentemente, as previsões numéricas serão mais precisas.

Weather forecasts for long periods of time has emerged as increasingly important. The global concern with the consequences of climate changes has stimulated researches to determine the climate in coming decades. At the same time the steps needed to better defining the modeling and the simulation of climate/weather is far of the desired accuracy. Upscaling the land surface and consequently to increase the number of points used in climate modeling and the precision of the computed solutions is a goal that conflicts with the performance of numerical applications. Applications that include the interaction of long periods of time and involve a large number of operations become the expectation for results infeasible in traditional computers. To overcome this situation, a climatic model can take different levels of refinement of the Earth’s surface, using more discretized elements only in regions where more precision are required. This is the case of Ocean-Land- Atmosphere Model, which allows the static refinement of a particular region of the Earth in the early execution of the code. However, a dynamic mesh refinement could allow to better understand specific climatic conditions that appear at execution time of any region of the Earth’s surface, without restarting execution. With the introduction of multi-core processors and GPU boards, computers architectures have many parallel layers. Today, there are parallelism inside the processor, among processors and among computers. In order to use the best performance of the computers it is necessary to consider all parallel levels to distribute a concurrent application. However, nothing parallel programming interface abstracts all these different parallel levels. Based in this context, this thesis investigates how to explore different levels of parallelism in climatological models using mixed interfaces of parallel programming and how these models can provide mesh refinement at execution time. The performance results show that is possible to reduce the execution time of atmospheric simulations using different levels of parallelism, through the combined use of parallel programming interfaces. Higher performance for the execution of atmospheric applications that use online mesh refinement was also provided. Therefore, more mesh resolution to describe the Earth’s atmosphere can be adopted, and consequently the numerical forecasts are more accurate.