p A Terra, com sua miríade de mudanças atmosféricas, oceânico, componentes de terra e gelo - apresenta um sistema extraordinariamente complexo para simular usando modelos de computador. p Mas um novo sistema de modelagem da Terra, o Energy Exascale Earth System Model (E3SM), agora é capaz de capturar e simular todos esses componentes juntos. Lançado em 23 de abril, após quatro anos de desenvolvimento, E3SM apresenta resolução de escala climática - ou seja, detalhes suficientes para capturar frentes, tempestades e furacões - e usa computadores avançados para simular aspectos da variabilidade da Terra. O sistema pode ajudar os pesquisadores a prever mudanças em escala decadal que podem influenciar o setor de energia dos EUA nos próximos anos.

p "Com este novo sistema, seremos capazes de simular de forma mais realista o presente, o que nos dá mais confiança para simular o futuro, "diz David Bader, cientista computacional do Lawrence Livermore National Laboratory e líder geral do projeto E3SM.

p O projeto E3SM é apoiado pelo Escritório de Pesquisa Biológica e Ambiental do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE). "Um dos objetivos do E3SM é ajudar a garantir que a missão climática do DOE possa ser cumprida - incluindo em futuros sistemas exascale, "disse Robert Jacob, um cientista do clima computacional na divisão de Ciências Ambientais do Laboratório Nacional de Argonne do DOE e um dos 15 co-líderes do projeto.

p Para apoiar esta missão, o objetivo do projeto é desenvolver um modelo de sistema terrestre que aumente a confiabilidade das previsões. Este objetivo tem sido historicamente limitado por restrições nas tecnologias de computação e incertezas na teoria e nas observações. O aprimoramento da confiabilidade da previsão requer avanços em duas fronteiras:(1) simulação aprimorada dos processos do sistema terrestre por meio do desenvolvimento de novos modelos de processos físicos, aumentar a resolução do modelo e melhorar o desempenho computacional; e (2) representando as interações bidirecionais entre as atividades humanas e os processos naturais de forma mais realista, especialmente onde essas interações afetam as necessidades de energia dos EUA.

p "Este modelo adiciona uma representação muito mais completa entre as interações do sistema de energia e o sistema terrestre, "disse David Bader, um cientista computacional no Lawrence Livermore National Laboratory e líder geral do projeto E3SM. "Com este novo sistema, seremos capazes de simular de forma mais realista o presente, o que nos dá mais confiança para simular o futuro. "

p A visão de longo prazo

p Simular a Terra envolve resolver aproximações físicas, equações químicas e biológicas que governam em grades espaciais nas resoluções mais altas possíveis.

p Na verdade, aumentar o número de dias do sistema terrestre simulados por dia de tempo de computação em vários níveis de resolução é tão importante que é um pré-requisito para atingir o objetivo do projeto E3SM. O novo lançamento pode simular 10 anos do sistema terrestre em um dia em baixa resolução ou um ano do sistema terrestre em alta resolução em um dia (um filme de amostra está disponível no site do projeto). O objetivo é que o E3SM ofereça suporte à simulação de cinco anos do sistema terrestre em um único dia de computação em sua maior resolução possível até 2021.

p Este objetivo ressalta a forte ênfase do projeto no desempenho e na infraestrutura - duas áreas principais de força para Argonne. "Nossos pesquisadores têm estado ativos para garantir que o modelo tenha um bom desempenho com muitos threads, "disse Jacob, que vai liderar o grupo de infraestrutura na Fase II, que - com o lançamento inicial do E3SM - começa em 1º de julho. Destacando a experiência em threading do engenheiro de desempenho Azamat Mametjanov da divisão de Matemática e Ciência da Computação da Argonne, Jacob continuou:"Temos executado e testado no Theta, nosso novo sistema de 10 petaflop nas instalações de computação de liderança da Argonne, e conduzirá algumas das simulações de alta resolução nessa plataforma. "

p Os pesquisadores que usam o E3SM podem empregar resolução variável em todos os componentes do modelo (atmosfera, oceano, terra, gelo), permitindo que eles concentrem o poder da computação em processos de escala fina em diferentes regiões. O software usa designs de malha avançados que afinam suavemente a escala da grade da região externa mais grosseira para a região mais refinada.

p Adaptando para exascale

p Os desenvolvedores do E3SM - mais de 100 cientistas e engenheiros de software - têm um objetivo de longo prazo:usar as máquinas exascale que o Departamento de Pesquisa em Computação Científica Avançada do DOE espera adquirir nos próximos cinco anos. Assim, O desenvolvimento do E3SM está ocorrendo em conjunto com a Iniciativa de Computação Exascale. (Exascale se refere a um sistema de computação capaz de realizar um bilhão [10 ¹⁸ ] cálculos por segundo - um aumento de mil vezes no desempenho em relação aos computadores mais avançados de uma década atrás.)

p Outro foco principal será a engenharia de software, que inclui todos os processos de desenvolvimento do modelo; projetar os testes; e desenvolver a infraestrutura necessária, incluindo bibliotecas de entrada / saída e software para acoplar os modelos. O E3SM usa o Model Coupling Toolkit (MCT) da Argonne, assim como outros modelos climáticos líderes (por exemplo, Modelo do Sistema Terrestre Comunitário [CESM]) para acoplar a atmosfera, oceano e outros submodelos. (Uma nova versão do MCT [2.10] foi lançada junto com o E3SM.)

p Contribuições adicionais específicas de Argonne na Fase II se concentrarão em:

• Modelagem de safra:os esforços se concentrarão na melhor emulação de safras como o milho, trigo e soja, que irá melhorar as influências simuladas das safras sobre o carbono, nutriente, ciclos de energia e água, bem como capturar as implicações das interações entre o sistema humano e a Terra
• Poeira e aerossóis:desempenham um papel importante na atmosfera, radiação e nuvens, bem como vários ciclos químicos.

p Colaboração entre - e além - laboratórios nacionais

p O projeto E3SM envolveu pesquisadores em vários laboratórios DOE, incluindo Argonne, Brookhaven, Lawrence Livermore, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Oak Ridge, Laboratórios nacionais do Noroeste do Pacífico e Sandia, bem como várias universidades.

p O projeto também se beneficia da colaboração dentro do DOE, inclusive com o Projeto de Computação Exascale e programas em Descoberta Científica por meio de Computação Avançada, Desenvolvimento e validação do modelo climático, Medição de radiação atmosférica, Programa de Diagnóstico e Intercomparação de Modelos Climáticos, Projeto de Benchmarking de Modelo de Terra Internacional, Modelo de sistema terrestre comunitário e experimentos de ecossistema de próxima geração para o Ártico e os trópicos.