Проведено эффективное моделирование движения мантии и тектонических плит на суперкомпьютере IBM "Секвойя"

Ученые из Техасского университета в Остине, IBM Research, Нью-Йоркского университета и Калифорнийского технологического института были награждены в 2015 г. премией Гордона Белла за реалистичное моделирование сил внутри Земли, которые воздействуют на тектонические плиты. Работа команды может предвещать большой прогресс в лучшем понимании землетрясений и вулканической активности.

Моделирование было сделано с использованием современных алгоритмов, работающих на суперкомпьютере "Секвойя" IBM BlueGene/Q, который установлен в Лоуренсовской национальной лаборатории в Ливерморе, одном из самых быстрых суперкомпьютеров в мире.

Исследовательская группа разработала инновационные алгоритмы для математического подхода, называемого неявным решателем, чтобы реалистично моделировать свойства Земли с беспрецедентными разрешением и точностью. Команда была в состоянии предсказать движения плит Земли и сил, действующих на них, одновременно моделируя потоки в мантии. Примечательно, что моделирование включало более 600 млрд. нелинейных уравнений, являющихся основной трудностью в научных и технических вычислениях.

Суперкомпьютер "Секвойя" с теоретической пиковой производительность 20,1 PFLOPS состоит из 96 стоек IBM BlueGene/Q. Каждая стойка содержит 1024 вычислительный узла с 16-ядерными процессорными чипами POWER, спроектированными для обработки больших данных и работающими на частоте 1,6 ГГц.

Код команды достиг беспрецедентного 97% распараллеливания для решателя, содержащего до 1,6 млн. ядер, что является новым мировым рекордом. Этот этап был достигнут переосмыслением сквозного вычислительного подхода, от математической модели до численных алгоритмов и их массивно-параллельной реализации. Команда разработала численные алгоритмы, которые могли решать уравнения в широком спектре масштабов, характеризующих мантию Земли, и в то же время эффективно их реализовать на массивно-параллельной архитектуре суперкомпьютера BlueGene/Q.

«Эти достижения откроют дверь к решению таких фундаментальных вопросов, каковы основные причины движения плит и ключевые процессы, управляющие возникновением мощных землетрясений», - сказал профессор Майкл Гарнис (Michael Gurnis), директор сейсмологической лаборатории в Калифорнийском технологическом институте.

«Хотя традиционная точка зрения заключалась в том, что эффективно решать системы существенно нелинейных уравнений на миллионах ядер будет практически невозможно, мы показали, что при тщательной разработке дискретизации, алгоритмов, решателей и соответствующей реализации, это вполне возможно», - сказал профессор Георг Стадлер (Georg Stadler) из Института математических наук Куранта Нью-Йоркского университета.

«Эта работа имеет применение для гораздо более широкого класса моделей в науке и технике, включая сложное многомасштабное поведение», - сказал Омар Гаттас (Omar Ghattas), директор Центра геологических вычислений в Институте вычислительной техники профессор геологических наук и машиностроения в Техасском университете в Остине.

Несмотря на то что динамика мантии является основной причиной для разрушительных землетрясений, вулканов и цунами, многие из основополагающих принципов ее движения остаются загадкой для ученых. Фактически, понимание этой "конвекции" было названо Национальными академиями США в качестве одного из "10 важнейших вопросов в науках о Земле".

«Мы только начинаем демонстрировать, как сочетание передовых алгоритмов, суперкомпьютеров и больших данных, полученных от датчиков и Интернета вещей, может реально моделировать существенно нелинейные разнородные силы природы, - сказал Костас Бекас (Costas Bekas), руководитель отдела основ когнитивных вычислений в IBM Research, Цюрих. - Мы изучаем новые способы применения огромных объемов данных от полевых датчиков и тематических когнитивных вычислений, а затем даем возможность практикам сократить время на решение от годов до нескольких недель и даже дней для всего, от изобретения новых материалов до открытия неиспользованных источников энергии».