[发明专利]面向数值模型的并行通信方法、装置、系统和存储介质

说明书

本发明提供面向数值模型的并行通信方法、装置、系统和存储介质，方法包括：将网格点编号分配给水平二维子网格上的每个网格点；使第一进程和其他进程分别记录各自对应的并行剖分区域中的计算区所包含的网格点的网格点编号和影像区所包含的网格点的网格点编号；根据第一进程所记录的影像区所包含的第一网格点的网格点编号，并根据其他进程所记录的各自计算区所包含的网格点的网格点编号，确定第一进程对应的影像区所包含的第一网格点的数据来自第二进程对应的计算区所包含的记录有相同网格点编号的第二网格点；建立第一进程的影像区所包含的第一网格点与第二进程的计算区所包含的第二网格点之间的映射关系，以将第二网格点的数据传递到第一网格点。

技术领域

本发明涉及面向数值模型的并行通信技术，尤其涉及一种面向数值模型的并行通信方法、装置、系统和存储介质。

背景技术

地球系统模型是气候演变规律研究、未来气候预测和无缝隙数值预报所不可或缺的科学工具，由分别模拟大气、陆面、海洋和海冰等地球系统圈层的分量模型通过耦合器的耦合构成。地球系统模型的所有分量模型均是基于格网的数值模型(Numerical Model)，即将要模拟的区域(水平二维或空间三维)划分为若干互不重叠的格点，也称原子区域，并在所有格点上进行协同计算。对一个区域而言，划分出来的格点越多，则模拟的分辨率越高，模拟过程的计算量也就越大。

目前，计算节点和处理器核越来越多的高性能计算机给很多应用程序的加速运行带来了机会，这也包括上述格网数值模型。为了在高性能计算机上取得较好的加速效果，应用程序需要被编写为高效的并行版本。消息传递接口(Message Passing Interface，MPI)是一种被广泛使用的并行编程库，既可以在不同计算节点之间，也可以在同一节点内的不同处理器核之间实现并行计算。无论国内外，绝大多数分量模型都具备了基于MPI的并行版本。

在研制数值模型的并行版本时，研发人员首先需要把模型网格的所有网格点分派给不同进程，以便进行并行计算。例如，图1中方形网格区域被划分为4个互不重叠的子区域(计算区)，而每个子区域又被划分为若干个网格点(图未示)，每个子区域中的所有网格点由一个进程负责计算。数值模型的方法会引入网格点之间的依赖关系，即在计算一个网格点上的数据时，需要使用其他网格点上的数据；这意味着在多个进程进行并行计算的过程中，一个进程会使用其他进程所负责计算的网格点上的数据。因此，一个进程不仅需要存放其所负责计算的网格点的数据，还需要存放其所需的由其他进程负责计算的网格点的数据。对于一个进程来说，由其负责计算的若干网格点所组成的区域被称为计算区，而其需要使用但不需计算的若干网格点组成的区域被称为影像区，即其他进程计算结果的影子；由计算区和影像区共同组成的区域被称为并行剖分区域。例如，参照图1，图2中四边为实线的子区域为各进程的计算区，实线与虚线间的阴影为影像区，有两边为虚线的矩形子区域为并行剖分区域。可以看出，影像区通常位于计算区的外围。

上述情况中，一个进程影像区中的网格点的数据由其他进程计算。当该进程需要使用影像区中的数据时，需要在该进程与其他各进程间完成针对影像区的数据交换，即基于通信方式把其他进程计算出来的部分数据传递到该进程的影像区中，这就需要根据并行剖分和网格点间的依赖关系建立进程间的通信关系，例如确定一个MPI进程与哪些MPI进程进行数据交换，并在交换数据过程中，完成数据的打包、通信、拆包等。为了简化程序实现，往往需要研发与应用针对特定网格点和特定并行剖分的并行通信库。

对于数值模型并行版本的研制而言，研发人员面临着一系列挑战。一方面，并行剖分越复杂，研发人员需投入更多时间来设计研发用于建立通信关系的程序；另一方面，当数值模型所使用的网格、并行剖分或数值方法发生改变时，往往需要重新研制并行通信库，甚至研发数值模型新的并行版本。现有技术中，最常用的水平二维子网格就是经纬网格，但随着数值模型的快速发展，出现了很多新型水平二维子网格，例如高斯归约网格、三极网格、球面立方网格、正二十面体网格、阴阳网格、局部加密的网格等，而这些新型网格对应的并行剖分、数值方法等也更加复杂。