[发明专利]一种高效大气模式物理过程任务划分算法

说明书

本发明公开一种高效大气模式物理过程任务划分算法，包括以下步骤：S1、获取大气模式中各进程所在的超节点编号；S2、根据S1中获取的超节点编号信息，对大气模式中的各进程进行分组，将具有相同超节点编号的进程分到同一个组；S3、第一级任务划分，采用与动力框架采用相同的网格划分方式，保证同一组进程中大气模式动力框架与物理过程具有相同的网格；S4、第二级任务划分，调整大气模式物理过程中组内进程间网格划分，将网格重分配到组内进程中。本发明既能使大气模式物理过程计算任务相对平衡，又能减少大气模式与动力框架耦合时的通信开销，可显著提高大气模式大规模并行时的整体性能。

技术领域

本发明涉及一种高效大气模式物理过程任务划分算法，属于气候气象预测技术领域。

背景技术

气候气象预测是当今世界上最复杂的应用问题之一，涉及到众多不同的科学领域。自上世纪50年代以来，数值模拟方法取得了巨大的进展，并在气候气象预测领域发挥了重要作用。从极端天气灾害到日常生活规划，数值模拟预测为各种实际问题提供了有力的科学依据。

作为气候模式中重要组成部分之一，大气模式是科学家和学者用于研究和理解大气规律的重要方法，同时也是促进世界最强大超级计算机发展的最重要科学应用之一。

大气模式主要由两个部分组成：动力框架和物理过程。动力框架求解大气运动方程，以网格点为基本计算单元，伴随邻居通信和全局规约操作。物理过程主要对网格垂柱进行计算，主要计算降雨、云、长短波辐射等内容，网格垂柱之间不需要进行通信。

为适应大气模式动力框架与物理过程的不同计算特征，大气模式动力框架与物理过程计算前对大气网格需要有不同的划分方法。大气模式计算过程中，每一个时间步，动力框架与物理过程计算都是交替进行，动力框架与物理过程计算前需要有动力框架和物理过程的耦合信息交换过程。如果大气模式中动力框架和物理过程对大气网格的划分方式不同，也即同一个大气网格所属的动力框架进程号和物理过程进程号不同，那么，在动力框架和物理过程耦合时这两个进程需要进行通信，获得该网格的物理量信息。

随着网格精度的增加和并行规模的扩大，大气模式物理过程的计算以及物理过程和动力框架之间耦合时的通信变得更加复杂。平衡大气模式物理过程计算时间和物理过程与动力框架耦合时的通信时间是提高地球系统模式中大气模式整体性能的关键点之一。一方面，网格精度增加，大气模式物理过程计算更为复杂，耦合时通信量增加；另一方面，在异构体系结构中，并行规模扩大，单处理器计算任务减少，但通信形式更加复杂。面对复杂的计算和通信问题，合理的大气模式物理过程网格划分一直是研究的重难点之一。

神威·太湖之光超级计算机网络结构分为3个层次，最顶层为中心交换网络，中间层为超节点网络，最底层为资源共享网络；网络直径为7，全网双向带宽总和达到56TB/s；超节点内部全连接架构，计算节点通过InfiniBand FDR网络进行连接，超节点间的网络构成两层胖树结构；超节点与超节点之间通过64根网线相连，与超节点内的全连接相比，带宽为1：4裁剪。

在神威·太湖之光超级计算机平台上，现有的大气模式物理过程计算任务划分方法容易导致物理过程计算任务分配不平衡或物理过程和动力框架耦合时通信复杂，难以平衡大气模式物理过程计算以及物理过程和动力框架耦合时通信需求，这会给大气模式带来10％～30％的性能损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效大气模式物理过程任务划分算法，其既能使大气模式物理过程计算任务相对平衡，又能减少大气模式与动力框架耦合时的通信开销，可显著提高大气模式大规模并行时的整体性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种高效大气模式物理过程任务划分算法，所述大气模式包含动力框架和物理过程两个过程，动力框架与物理过程的任务划分相互独立，且动力框架的任务划分先进行，动力框架任务划分结束后，每一个网格映射到一个进程；

包括以下步骤：