[发明专利]一种基于CUDA C的短波辐射模式加速方法

说明书

本发明公开了一种基于CUDA C的短波辐射模式加速方法，主要通过CUDA C对地球系统模式中短波辐射模式RRTMG_SW进行加速计算，以此来提高短波辐射通量以及冷却/加热速率的计算效率。该方法包括以下步骤：在CPU端进行短波辐射过程所需数据的定义、初始化；GPU分配合适的内存空间来存储计算参数以及最终结果；将CPU内存中的计算参数复制到GPU的全局内存中；启动GPU线程，调用kernel函数进行并行计算；将GPU内存中的最终计算结果传递回CPU内存。本发明有益效果：大幅缩短短波辐射模式计算时间，提高了地球系统模式的计算效率。

技术领域

本发明涉及高性能计算技术领域，具体涉及一种基于CUDA C的短波辐射模式加速方法。

背景技术

地球上的天气与气候情况是由太阳辐射量及其分布所决定的。辐射过程作为重要的大气物理过程之一，需要保证其模拟的气候变化准确率高，因此对辐射计算模型的精确性有很高的要求。RRTMG(rapid radiative transfer model for general circulationmodels)是一种计算长短波大气辐射通量和加热速率的辐射模式，该模式使用相关k方法来满足目前对辐射计算精确度的要求。复杂的气候数值模拟系统需要模拟多种物理过程，其辐射传输模块的计算量占比较大，无法满足地球系统模式大规模高效计算的需要。

通过分析RRTMG短波辐射模式RRTMG_SW的串行计算，可以发现RRTMG_SW的驱动子程序rrtmg_sw计算耗时最多，所以主要对rrtmg_sw进行基于GPU的加速计算。在rrtmg_sw中，各个子程序的计算时间不一，其中spcvmc_sw子程序耗时最长，占rrtmg_sw总计算时间的71.4％。

表1 RRTMG_SW各子程序计算时间(s)

为了提高RRTMG_SW的计算效率，可以在GPU上对其进行加速计算。具体，通过改写串行Fortran程序，基于CUDA C实现RRTMG_SW的加速计算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于CUDA C的短波辐射模式加速方法，用以提高短波辐射模式RRTMG_SW的计算效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

步骤1.数据初始化。首先对四个子程序inatm_sw、cldprmc_sw、setcoef_sw和spcvmc_sw所需要的数据进行定义和初始化。由于水平维度上ncol值的不确定性，在定义CPU端数组时，采用定长数组来解决ncol值不确定的问题，例如，double play[nlay*ncol]，其中nlay＝51，ncol＝1024*n(n为整数)。在GPU端，采用指针数组，例如，double*play_d，并通过cudaMalloc()对GPU端的数组进行内存分配，例如，cudaMalloc((void**)play_d,nlay*ncol*sizeof(double))；

步骤2.数据传输。将CPU端数组通过cudaMemcpy()赋值给GPU端对应的数组，要求数组的大小和类型相同。例如，cudaMemcpy(play_d,play,nlay*ncol*sizeof(double),cudaMemcpyHostToDevice)，其中，play_d为GPU端定义的数组，play为CPU端定义的数组。