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1、40高性能计算发展与应用 2 0 1 4 年第二期 总第四十七期基于E S MF 的P O P 海洋模式组件化 设计与并行方法研究 叶斯 栾钟治 谭超 钱德沛北京航空航天大学中德软件技术联合研究所 北京 1 0 0 1 9 1 y e s s h i 0 6 y a h o o . c o m. c n 王兰宁北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院 北京 1 0 0 8 7 5摘要：随着气候模式研究向着多物理过程、高分辨率模拟的方向发展，模式的复杂度和规模不断提高。传统的模式往往采用模块紧耦合的开发方式，并且依赖特定软硬件计算环境，这使得模式的移植、更新和相同功能代码重用变得极其困难，严重影
2、响了气候模式的开发效率。特别是在高性能计算环境下，气候科学家往往需要花费大量的时间与精力去了解模式代码和具体的计算机软硬件细节，才能实现自己所关注的物理模型。为了减轻气候科学家在模式开发上的学习负担，提高模式代码的可重用性、可移植性和并行性能, 本文基于地球系统建模框架( E a r t h S y s t e m Mo d e l i n g F r a m e w o r k , E S MF ) 的标准接口以及并行架构，以并行海洋模式( P a r a l l e l Oc e a n P r o g r a m , P OP ) 为对象，构建了一种组件化的海洋模式。在此基础上，通过分析
3、模式组件的特性，提出了一套适用于组件化海洋模式的并行化方法。关键字：E S MF ，海洋模式，组件化引言气候模式研究从出现开始就和高性能计算密不可分。这些年来，随着研究的不断深入，模式正朝着高分辨率、多物理过程、高计算速度的方向发展。模式的精确度越来越高，但与此同时模式自身的规模也在变得越来越庞大，传统的采用紧耦合方式设计的模式由于功能之间的调用关系复杂，数据在全局范围内共享，要进行模式的更新，往往需要对许多相关的函数进行修改，这极大地增加了模式的维护与更新工作的负担。与此同时，模式复杂化也加大了模式对高性能计算的需求，模式计算所依赖的软硬件环境越来越复杂。在这样的情况下，要在模式之上做进一步
4、的研究与发展，气候科学家往往需要花费大量精力来了解整个模式的并行架构以及高性能计算机的软硬件细节，并对底层代码做大量的工作，才能开发出符合模式架构的物理模型实现，这很大程度上影响了模式的创新与发展。特别是当模式研究涉及到更多学科的交叉与更多研究机构的合作时，这种情况会变得更加明显。因此，如何减少气候科学家在模式开发上的学习负担，提高用户代码的模式代码的可重用性、可替换性和并行性能是一个急需解决的问题。针对这个问题，目前的解决方法是通过统一的接口与底层架构，实现标准的组件化模式，使用户可以专注于自身领域的研究，快速将研究成果以组件的方式实现。但是由于模式的发展先于模式框架研究，要将整个模式研究成
5、果转向组件化需要花费大量的时间与精力，当前研究重点主要集中在分量模式之间的组件化与耦合设计 1 - 7 ，通过统一的接口来耦合各个气候领域的研究成果，从而把模式更新与维护的工作分散到各个模式开发小组当中。但这种分量模式组件的规模仍然非常庞大，并且组件内部有关并行的实现也没有遵循统一的底层标准，使得不同模式间相同功能代码的重用仍然极其困难，气候科学家在进行进一步研究时仍然需要对分量模式的设计架构有深入了解，才能实现自己的所关注的物理模型。因此，本文尝试将组件化的构建方式深入到基金项目：国家8 6 3 重点项目，面向地球系统模式研究的高性能计算支撑软件系统( 2 0 1 0 A A 0 1 2 4
6、 0 4 )41高性能计算技术模式内部，将单个模式构建成标准组件的集合。模式中的组件遵循地球系统模型框架（E a r t h S y s t e m M o d e l i n g F r a m e w o r k ，E S M F ） 8 的接口标准，使用统一底层框架，使不同模式间相同功能的代码可以被共享和重用，提高模式代码开发的效率；同时组件形成分层的拓扑调用结构，使模式代码的结构更加清晰，便于科学家对其关注的模式模块进行优化和替换而不需要关注其他模块的实现细节，同时也便于模式代码从整体资源划分和通信拓扑上进行并行优化。本文以海洋模式为例来实现模式的组件化构建，论文提供的方法也可以被其他
7、模式所采用。P O P （P a r a l l e l O c e a n P r o g r a m ） 9 1 0 是一种典型的使用紧耦合的开发方法实现的并行海洋模式，是目前使用最广泛的公用地球系统模式（C o m m u n i t y E a r t h S y s t e m M o d e l C E S M ） 1 1 的组成部分，具有很好的用户基础以及社区活跃度。通过对P O P 进行组件化封装与设计，提高P O P 代码的可重用性、可移植性和并行性能，能有效促进海洋模式的研究发展。因此，本文以P O P 为对象，借助E S MF 框架的标准接口以及并行框架，构建了一种组件化
8、的海洋模式，并通过分析模式组件特性，提出了一套适用于组件化海洋模式的并行化方法。本文的其余部分组织如下：第一章简要介绍模式组件化的相关工作。第二章简要介绍E S M F 框架的架构，为下面的组件设计做准备。第三章具体分析海洋模式的特点，基于E S M F 框架设计实现组件化海洋模式，研究在该框架下的并行方法。第四章对组件化海洋模式的并行性能进行实验，得出结论。最后一章对目前的工作进行总结并指出下一步的工作。1 . 相关工作早在二十世纪八十年代，气候科学家已经意识到统一的接口与框架对模式研究的巨大推动作用，并因此产生了许多相关的气候框架应用。其中使用比较广泛的有灵活建模系统( G F D L F
9、 l e x i b l e M o d e l i n g S y s t e m，F MS ) 1 2 、天气研究与预报模型( We a t h e r R e s e a r c h a n d F o r e c a s t M o d e l ，WR F ) 1 3 、地球建模系统( G o d d a r d E a r t h M o d e l i n g S y s t e m ，G E M S ) 1 4 、通用组件架构( D O E C o m m o n C o m p o n e n t A r c h i t e c t u r e ，C C A ) 1 5 、模型
10、耦合工具包( M o d e l C o u p l i n g T o o l k i t ，MC T ) 1 6 等。这些应用或是针对一类应用提供解决方案，如WR F ；或是专注于提供模式某一方面的应用需求，如用于系统建模的F M S 以及G E M S ，用于模式耦合的MC T ；或是面向更一般化的高性能应用，如C C A 。总的来说，这些应用框架都只满足构建标准化气候系统模式中分量模式的部分需求。与这些早期的气候框架相比，地球系统模型框架( E a r t h S y s t e m M o d e l i n g F r a m e w o r k ，E S M F ) 是一个更全面
11、更规范化的框架实现。它统一了各种已有的专用软件框架和工具包，并对其进行标准化和扩展，形成了一组标准的组件接口和完整的气候研究并行框架。相比于同类型的欧洲委员会资助的综合系统建模系统( P r o g r a m f o r I n t e g r a t e d E a r t h S y s t e m M o d e l , P R I S M ) 1 7 ，E S M F 更关注组件构造的基础结构及用于耦合组件的标准接口，能够很好地满足本文设计组件化模式的需求。随着气候框架的出现，许多模式也开始朝着组件化的方向发展。美国国家地球物理流体动力学实验室( G e o p h y s i c
12、a l F l u i d D y n a m i c s L a b o r a t o r y G F D L ) 开发的模块化海洋模式( M o d u l a r O c e a n M o d e l ) 1 8 就是一个典型的例子，由于模式中的所有分量模式均由G F D L 自身开发，因此各分量模式的底层接口基本统一。同时MO M这种模块化结构的优势在于可以在不改变原模式的并行计算以及数据通信代码的基础上，根据新的计算环境修改模式内部过程，补充新的程序。但总体来说，MO M并没有提供一个统一的软件底层架构，因此面对不同的计算环境，用户仍然需要进行底层代码的编写和维护工作。随着模式的
13、发展，模式的组件化应用也越来越广泛。公用地球系统模式C E S M就为其下的每个分量模式设计了E S MF 的标准调用接口，使每个分量模式都构成标准的组件，以提高分量模式的耦合能力。此外，美国空军气象局的空间天气建模系统( T h e S p a c e We a t h e r M o d e l i n g S y s t e m ) 将其中的太阳风模式 H A F v 2 与 电离层预测模式 I F M 封装成模式组件进行耦合，显著改善了模式的数据吞吐率以及计算效率 1 。美国海军实验室的海洋大气耦合中尺度预测系统( N a v a l R e s e a r c h L a b o r
14、 a t o r y C o u p l e d O c e a n / A t m o s p h e r e Me s o s c a l e P r e d i c t i o n S y s t e m ，C O A M P S ) 也通过组件化技术来解决海洋大气之间的耦合问题 2 。在海洋模式方面，C a m p i n ，J 等实现了一个多尺度模拟的高分辨率2 维非静力过程模式，并将其封装成一个单独的组件耦合到大规模的流体静力海洋模式中 3 。这些模式虽然都使用了组件化的方式来进行各个分量模式的耦合，但并没有将组件化设计深入到模式内部，使得组件仍然具有规模庞大，内部代码难以复用和移
15、植的缺点。目前真正在模式内部使用标准框架来进行组件化封装的只有最新的地球观测系统模式( G o d d a r d E a r t h O b s e r v i n g S y s t e m M o d e l , v e r s i o n 5 , G E O S - 5 ) 1 9 。G E O S - 5 是当前分辨率最高的气候模式系统，它集成了美国国家航天局( N A S A ) 、美国国防部、美国国家大气与海洋管理局以及各大机构与高校的气候研究成果。由于系统结构复杂，分量模式众多，因此G E O S - 5 从设计之初就采用了组件化的技术，将3 0 多个不同的遵循E S M F
16、规范的组件耦合在一起形成一个完整的系统，42高性能计算发展与应用 2 0 1 4 年第二期 总第四十七期该模式不仅在上层采用了统一的耦合接口，内部也是一种分层次的组件化实现，是第一种实现了内部组件化的模式。但是系统的内部组件化主要实现在大气环流分量模式中，其他分量模式仍然是以整体组件的方式耦合在系统当中。总的来说，目前大部分的气候模式的组件化设计与研究都集中在模式与模式间的耦合，将组件结构深入到参数化水平、特别是针对海洋模式的这种组件化实现非常少。因此，本文以P O P 为对象，借助E S M F 框架的标准接口以及并行框架，构建了一种组件化的海洋模式，将组件结构深入到海洋模式的参数化水平，并通过模式组件特性的分析，提出了一套适用于组件化海洋模式的并行化方法。2 . E S MF 框架简介2
