Effiziente und skalierbare Behandlung von detaillierter Wolken-Mikrophysik in ICON durch nebenläufige und lastbalancierte Ausführung; im Verbundprojekt: Optimierung von Simulationsalgorithmen für Exascale-Supercomputer zur Berechnung des Erdsystemmodells ICON

Abstract

Im Rahmen des Teilvorhabens wurden neue Ansätze zur Verbesserung der Skalierbarkeit von Erdsystemmodellen auf zukünftigen Exascale-Systemen entwickelt. Der Fokus lag auf der effizienten Behandlung detaillierter Wolken-Mikrophysik in ICON durch funktionelle Nebenläufigkeit und dynamische Lastbalancierung. Als zentrale Ergebnisse wurden gemeinsam im Projektverbund die ICON-ConTra-Infrastruktur für nebenläufige Modellkomponenten und dynamische LOBSTR-Datenstrukturen für flexible Lastverteilung entwickelt. Kalibrierexperimente identifizierten optimale Ressourcenverteilungen von 1 zu 6/7 zwischen Atmosphärendynamik und Wolkenmikrophysik. Die entwickelten Infrastrukturen wurden auf verschiedene HPC-Systeme portiert und getestet. Als wissenschaftliche Anwendung entstanden hochauflösende Hurrikan-Simulationen mit bis zu 300 m Maschenweite unter Verwendung einer innovativen hurrikan-zentrischen Methodik. Durch diesen hoch effizienten Ansatz konnten die Rechenkosten erheblich gegenüber herkömmlichen Ansätzen reduziert werden. Die Validierung erfolgte durch Vergleiche mit Satellitendaten mittels Beobachtungsoperatoren. Die Entwicklungen wurden mit der ICON-Hauptentwicklungslinie synchronisiert und stehen der wissenschaftlichen Gemeinschaft als Open-Source-Software zur Verfügung.