GRAPES区域模式的输入输出分析和优化
2022年电子技术应用第1期
杨 斌1，2，王敬宇3，刘卫国1，2，蔡蕙伊2，于 翡4，5，邓莲堂4，5，黄丽萍4，5
1.山东大学 软件学院，山东 济南250101；2.国家超级计算无锡中心，江苏 无锡214072； 3.国家并行计算机工程技术研究中心，北京100086；4.中国气象局地球系统数值预报中心，北京100081； 5.灾害天气国家重点实验室，北京100081
摘要： 新一代全球/区域多尺度统一的同化与数值预报系统Global/Regional Assimilation and PreEdiction System(GRAPES)是中国气象局(China Meteorological Administration，CMA)自主研发的数值天气预报软件。随着对模式分辨率和预测时效性要求的提高，GRAPES的输入输出(I/O)性能成为了一个重要的瓶颈。分析了GRAPES区域模式的I/O行为，提出并设计实现了一个高性能I/O框架。该框架采用二进制编码以及多I/O通道技术实现了灵活可配置的输出方式。同时，通过非堵塞通信的方式实现了异步I/O，隐藏了I/O与通信的开销。工作在曙光“派”超级计算机上进行了测试，结果显示该框架不仅可以提高I/O性能达到10倍以上，也可以减少性能抖动带来的性能不确定性问题。
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.
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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