Использование графического процессора для ускорения распределенных вычислений при прогнозе экстремальных значений температуры воздуха

Постановка проблемы. Климатические изменения, влекущие за собой появление экстремальных значений метеоэлементов, в частности температурных аномалий, создают угрозу устойчивому развитию Российской Федерации. Современные гидродинамические модели позволяют рассчитывать эти аномалии, но требуют больших вычислительных мощностей. Так, имеющаяся на вооружении Росгидромета кластерная система состоит из 96 вычислительных узлов, каждый из которых содержит по два наиболее высокопроизводительных процессора Intel Xeon 5680 с тактовой частотой 3,33 ГГц (всего 192 процессора) с производительностью 15,33 TFLOPS (триллионов операций в секунду). Существующие компактные гидродинамические модели, например WRF, позволяют обойтись меньшими вычислительными ресурсами, но скорость вычислений значительно падает. Предложено ускорить вычисления за счет использования распределенных вычислений на нескольких компьютерах, используя возможность параллельных вычислений за счет графических процессоров этих компьютеров. Показано, что при совместном использовании мощности центрального процессора компьютера и его графического процессора время, требуемое на расчеты экстремальных значений температуры при использовании модели WRF, ядро которой устанавливается на серверной части системы, сокращается в 8 раз. Предложена возможная конфигурация такой системы, которая может состоять из двух вычислительных машин: высокопроизводительного сервера, например ASUS ESC4000 G3 c процессором Intel Xeon E5-2600 и клиентской станции для отображения результатов расчетов и ввода исходных данных в систему. Предложено использовать на сервере четыре мощных видеокарты фирмы AMD Radeon HD 7970 DDR5 с объемом памяти до 3 Гбайт и производительностью до 3 TFLOPS в каждой. Предложено программное обеспечение, позволяющее организовать распределённые вычисления в системе клиент - сервер и распараллелить вычисления на графических процессорах. Предложены технические решения по особенностям построения такой системы, требующей мощного источника питания и охлаждения. Предложенная схема построения распределенных вычислений экстремальных значений метеоэлементов может быть полезна в оперативных прогнозах для авиации, МЧС, МО и др. служб.