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GRAPES區域模式的輸入輸出分析和優化

2022年電子技術應用第1期

楊斌1，2，王敬宇3，劉衛國1，2，蔡蕙伊2，于翡4，5，鄧蓮堂4，5，黃麗萍4，5

1.山東大學軟件學院，山東濟南250101；2.國家超級計算無錫中心，江蘇無錫214072； 3.國家并行計算機工程技術研究中心，北京100086；4.中國氣象局地球系統數值預報中心，北京100081； 5.災害天氣國家重點實驗室，北京100081

摘要： 新一代全球/區域多尺度統一的同化與數值預報系統Global/Regional Assimilation and PreEdiction System(GRAPES)是中國氣象局(China Meteorological Administration，CMA)自主研發的數值天氣預報軟件。隨著對模式分辨率和預測時效性要求的提高，GRAPES的輸入輸出(I/O)性能成為了一個重要的瓶頸。分析了GRAPES區域模式的I/O行為，提出并設計實現了一個高性能I/O框架。該框架采用二進制編碼以及多I/O通道技術實現了靈活可配置的輸出方式。同時，通過非堵塞通信的方式實現了異步I/O，隱藏了I/O與通信的開銷。工作在曙光“派”超級計算機上進行了測試，結果顯示該框架不僅可以提高I/O性能達到10倍以上，也可以減少性能抖動帶來的性能不確定性問題。

關鍵詞： IO優化異步IO GRAPES CMA-MESO 區域模式

中圖分類號： TP391
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212422
中文引用格式： 楊斌，王敬宇，劉衛國，等. GRAPES區域模式的輸入輸出分析和優化[J].電子技術應用，2022，48(1)：39-45，52.
英文引用格式： Yang Bin，Wang Jingyu，Liu Weiguo，et al. Input/Output analysis and optimization for GRAPES regional model[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(1)：39-45，52.

Input/Output analysis and optimization for GRAPES regional model

Yang Bin1，2，Wang Jingyu3，Liu Weiguo1，2，Cai Huiyi2，Yu Fei4，5，Deng Liantang4，5，Huang Liping4，5

1.School of Software，Shandong University，Jinan 250101，China；2.National Supercomputing Center in Wuxi，Wuxi 214072，China； 3.National Research Center of Parallel Computer Engineering & Technology，Beijing 100086，China； 4.Numerical Weather Prediction Center of CMA，Beijing 100081，China；5.State Key Laboratory of Severe Weather，Beijing 100081，China

Abstract： The new generation Global/Regional Assimilation and PreEdiction System(GRAPES) is a homegrown numerical weather prediction software developed by China Meteorological Administration(CMA). As the requirements for model resolution and prediction timeliness increase, the Input/Output(I/O) performance of GRAPES becomes a critical performance bottleneck. This paper performs a deep analysis of I/O behavior for the GRAPES regional model，and proposes, designs and implements a high-performance I/O framework. This framework achieves a flexible and configurable output method through binary encoding and multiple I/O channels. At the same time, asynchronous I/O is included by non-blocking communication, which hides the I/O and communication overhead. The framework has been tested on the Sugon Pai supercomputer, and the results show that the framework can not only improve I/O performance by up to over ten times but also reduce the performance uncertainty caused by performance jitter.

Key words : I/O optimization；asynchronous I/O；GRAPES；CMA-MESO；regional model

0 引言

天氣預報與人民財產和生命安全休戚相關。近年來高影響天氣事件（例如鄭州暴雨）的發生頻度和強度持續增加，嚴重影響經濟社會發展，威脅人民生命財產安全。對高影響天氣的精準預報已經成為國際熱點，以及國家防災減災決策中的關鍵和迫切需求。自20世紀80年代起，數值預報已成為國際天氣預報的主流發展趨勢，天氣形勢預報時效目前達到甚至超過7天，而制作更精細的數值預報，提高天氣預報準確率的關鍵是進一步提高數值預報的精確度^[1]。超高分辨率模擬和高頻觀測資料的快速應用是當前提升數值預報精確度的關鍵，也是極其重要又極具挑戰的計算應用。全球/區域多尺度統一的同化與數值預報系統(Global/Regional Assimilation and PreEdiction System，GRAPES)^[2]應運而生，GRAPES是我國歷時超過二十年自主研發，以多尺度通用非精力動力框架為核心開發建立的可插拔式的新一代通用數值分析同化與預報系統。目前GRAPES已成為我國中期數值天氣預報的業務化模式，不僅能夠預報大尺度形勢場，而且在要素預報(如降水量、風、濕、壓等)準確性也在逐步提高，逐漸在預報業務一線發揮著越來越大的作用^[3-5]。

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作者信息：

楊斌1，2，王敬宇3，劉衛國1，2，蔡蕙伊2，于翡4，5，鄧蓮堂4，5，黃麗萍4，5

(1.山東大學軟件學院，山東濟南250101；2.國家超級計算無錫中心，江蘇無錫214072；

3.國家并行計算機工程技術研究中心，北京100086；4.中國氣象局地球系統數值預報中心，北京100081；

5.災害天氣國家重點實驗室，北京100081)

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