米エネルギー省が Exascale 地球シミュレーションシステムを公開

管理人 in ニュース

4 年間の開発を経て、米国エネルギー省（DOE）は天候および他の地球システムの高分解能シミュレーションを実行するための計算プラットフォームである Energy Exascale Earth System Model（E3SM）を公開しました。

TOP500 の NEWS 欄には、毎週スーパーコンピューターに関する最新情報が報告されています。残念ながら、日本のメディアではほとんど報道されません。
本ウェブサイトでは、それらのニュースを定期的に日本語で紹介していきます。

今回紹介する記事は、
DOE Unveils Exascale Earth Modeling System
April 24, 2018

概要

ES3M は、大気、陸、海洋（海氷を含む）のシミュレーションを組み合わせた “最初の端から端までのマルチスケール地球システムモデル” (“the first end-to-end multi-scale Earth system model”) です。このように、これらのさまざまな要素がどのように相互作用するかを予測します。このソフトウェアは、人間の活動と自然のプロセスとの相互作用を研究するためにも使用されます。特に、ES3M は人為的な地球規模の気候変動が様々な地球システムにどのように影響するかをモデル化することができます。

具体的には、E3SM は地球システムモデリングを次の3つの面で推進すると考えられました。

モデルの新しいプロセスを開発し、モデルの解像度を上げ、計算性能を向上させることによって、地球システムプロセスの解像度を向上させる。
特に米国のエネルギー需要に影響を与えるように、人間の活動と自然のプロセスとの相互作用のより現実的なモデルを提供する。
シミュレーションと予測の不確実性を定量化する目的でアンサンブルモデリングを実装する。

もちろん DOE はこれまでも地球システムモデルを持っていましたが、E3SM はより複雑なシミュレーションをサポートし、より高い解像度で実行します。これを達成するために exascale システムのより大きな計算能力を利用するように設計されています。干ばつ、海面上昇、ハリケーンの強さ、海洋循環 などの詳細を解明できると考えられています。これらの研究課題が DOE にとって重要な理由は、これらプロセスのすべてが、太陽光、風力および水力発電だけでなく、エネルギー需要にも大きな影響を及ぼすからです。

LLNL の科学者であり、E3SM プロジェクトのリーダーでもある David Bader 氏は、「このモデルは、エネルギーシステムと地球システムの相互作用をはるかに完全に再現しています。計算性能の向上により、プロセスやインタラクションに詳細を追加することが可能であり、以前のモデルよりも正確で有用なシミュレーションが可能になりました。」

現時点で、ES3M は exascale 前の DOE スーパーコンピュータで動作していますが、exascale マシンが利用可能になると、ソフトウェアはその真の価値を示すことを約束します。最初のこのようなシステムである Aurora は、2021 年にアルゴンヌ国立研究所に導入される予定です。2022 年から 2023 年の間に、少なくとも 2 つの DOE Exascale スーパーコンピュータが稼働する予定です。

サンディア国立研究所の ES3M の計算科学者である Mark Taylor 氏は次のように説明しています。「今日、我々の一番の成功は、ノードごとにモデルが従来のアーキテクチャより速く実行され、消費電力が少ない exascale コンピュータのプロトタイプの素晴らしい性能です。スケーラビリティ、ベクトル化、スレッディング、ソフトウェアエンジニアリングの仕事がにより可能となりました。」

ロスアラモス国立研究所の Todd Ringler は、「研究課題への取り組みに向けて性能上の不足はない。ロスアラモスのチームが注目しているのは、海と陸域の氷が広範囲に溶けて海面が急激に上昇する危険です。例えば、北極をとってみましょう。急速な変化により、新たな機会と新たなセキュリティリスクが生じています。この新しいモデリング能力、特に海洋および海氷システムのために開発した新しいアプローチは、変化する北極海の How、When および Why を予測する上で非常に重要です！」と述べている。

E3SM の開発には、複数の DOE 研究室と複数の大学に 100 人以上の科学者とソフトウェアエンジニアが参加しています。エネルギー研究所にはアルゴンヌ、ブルックヘブン、ローレンスリバモア、ローレンスバークレー、ロスアラモス、オークリッジ、パシフィックノースウエスト、サンディアが含まれます。 E3SM は、Exascale Computing Project、Advanced Computing（SciDAC）による科学的発見、Climate Model Development and Validation（CMDV）などの DOE の支援を受けた数多くの地球科学プログラムとの共同研究からも成り立っています。

このソフトウェアのコード、ドキュメント、初期ベンチマークセットの出力などは、GitHub 上で利用可能です。モデルと関連するシミュレーションツール、および今後の研究の方向性に関する詳細な情報については、E3SM のWebサイトを参照してください。

感想

Exascale なんて、遠い未来のことと思っていましたが、あっという間に開発が進んで、もう実用化まで秒読みというところまで来てしまいました。

世界的に異常気象が続いているので、このような研究の需要は大きいです。とりわけ、人間の活動と気候変動を高精度でシミュレーションできるという点に期待が集まります。

米エネルギー省が Exascale 地球シミュレーションシステムを公開

目次

概要

感想

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