La Terre, avec sa myriade d'atmosphères changeantes, océanique, composantes de la terre et de la glace—présente un système extraordinairement complexe à simuler à l'aide de modèles informatiques.

Mais un nouveau système de modélisation de la Terre, le modèle énergétique exascale du système terrestre (E3SM), est maintenant capable de capturer et de simuler tous ces composants ensemble. Sortie le 23 avril après quatre ans de développement, E3SM propose une résolution à l'échelle météorologique - c'est-à-dire, suffisamment de détails pour capturer les fronts, tempêtes et ouragans - et utilise des ordinateurs avancés pour simuler des aspects de la variabilité de la Terre. Le système peut aider les chercheurs à anticiper les changements à l'échelle décennale qui pourraient influencer le secteur énergétique américain dans les années à venir.

« Avec ce nouveau système, nous pourrons simuler le présent de manière plus réaliste, ce qui nous donne plus de confiance pour simuler l'avenir, " dit David Bader, informaticien au Lawrence Livermore National Laboratory et directeur général du projet E3SM.

Le projet E3SM est soutenu par le Bureau de la recherche biologique et environnementale du Département de l'énergie des États-Unis (DOE). "L'un des objectifs de l'E3SM est d'aider à garantir que la mission climatique du DOE peut être remplie, y compris sur les futurs systèmes exascale, " dit Robert Jacob, un climatologue informatique dans la division des sciences de l'environnement du laboratoire national d'Argonne du DOE et l'un des 15 co-responsables du projet.

Pour soutenir cette mission, l'objectif du projet est de développer un modèle du système Terre qui augmente la fiabilité des prédictions. Cet objectif a été historiquement limité par les contraintes des technologies informatiques et les incertitudes de la théorie et des observations. L'amélioration de la fiabilité des prédictions nécessite des avancées sur deux fronts :(1) une meilleure simulation des processus du système Terre en développant de nouveaux modèles de processus physiques, l'augmentation de la résolution du modèle et l'amélioration des performances de calcul ; et (2) représenter les interactions bidirectionnelles entre les activités humaines et les processus naturels de manière plus réaliste, en particulier lorsque ces interactions affectent les besoins énergétiques des États-Unis.

"Ce modèle ajoute une représentation beaucoup plus complète entre les interactions du système énergétique et du système Terre, " a déclaré David Bader, un informaticien au Lawrence Livermore National Laboratory et chef de projet global E3SM. « Avec ce nouveau système, nous pourrons simuler le présent de manière plus réaliste, ce qui nous donne plus de confiance pour simuler l'avenir."

La longue vue

Simuler la Terre implique de résoudre des approximations de physique, équations chimiques et biologiques régissant les grilles spatiales aux plus hautes résolutions possibles.

En réalité, augmenter le nombre de jours du système Terre simulés par jour de temps de calcul à différents niveaux de résolution est si important qu'il s'agit d'une condition préalable à la réalisation de l'objectif du projet E3SM. La nouvelle version peut simuler 10 ans du système Terre en un jour à basse résolution ou un an du système Terre à haute résolution en un jour (un exemple de film est disponible sur le site Web du projet). L'objectif est que l'E3SM prenne en charge la simulation de cinq ans du système Terre en une seule journée de calcul à sa résolution la plus élevée possible d'ici 2021.

Cet objectif souligne l'importance accordée par le projet à la fois à la performance et à l'infrastructure, deux points forts pour Argonne. "Nos chercheurs ont veillé activement à ce que le modèle fonctionne bien avec de nombreux threads, " dit Jacob, qui dirigera le groupe infrastructure dans la phase II, qui, avec la sortie initiale de l'E3SM, commence le 1er juillet. Soulignant l'expertise de threading de l'ingénieur de performance Azamat Mametjanov de la division Mathématiques et Informatique d'Argonne, Jacob a poursuivi:"Nous avons couru et testé sur Theta, notre nouveau système de 10 pétaflops au Leadership Computing Facility d'Argonne, et effectuera certaines des simulations haute résolution sur cette plate-forme."

Les chercheurs utilisant l'E3SM peuvent utiliser une résolution variable sur tous les composants du modèle (atmosphère, océan, terre, la glace), leur permettant de concentrer la puissance de calcul sur des processus à petite échelle dans différentes régions. Le logiciel utilise des conceptions de maillage avancées qui affinent en douceur l'échelle de la grille de la région extérieure la plus grossière à la région la plus raffinée.

Adaptation pour exascale

Les développeurs de l'E3SM, plus de 100 scientifiques et ingénieurs logiciels, ont un objectif à plus long terme :utiliser les machines exascales que le DOE Advanced Scientific Computing Research Office prévoit d'acquérir au cours des cinq prochaines années. Ainsi, Le développement de l'E3SM se poursuit en tandem avec l'Initiative informatique Exascale. (Exascale désigne un système informatique capable de réaliser un milliard [10 ¹⁸ ] calculs par seconde - une augmentation de mille fois des performances par rapport aux ordinateurs les plus avancés d'il y a dix ans.)

Un autre objectif clé sera l'ingénierie logicielle, qui comprend tous les processus d'élaboration du modèle ; concevoir les tests; et développer l'infrastructure requise, comprenant des bibliothèques d'entrées/sorties et des logiciels pour coupler les modèles. E3SM utilise le Model Coupling Toolkit (MCT) d'Argonne, tout comme d'autres modèles climatiques de premier plan (par exemple, Community Earth System Model [CESM]) pour coupler l'atmosphère, océan et autres sous-modèles. (Une nouvelle version de MCT [2.10] a été publiée avec E3SM.)

Les contributions supplémentaires spécifiques à Argonne dans la phase II se concentreront sur :

• Modélisation des cultures :les efforts se concentreront sur une meilleure émulation des cultures telles que le maïs, blé et soja, qui améliorera les influences simulées des cultures sur le carbone, nutritif, cycles de l'énergie et de l'eau, ainsi que de saisir les implications des interactions homme-Terre
• Poussières et aérosols :Ils jouent un rôle majeur dans l'atmosphère, rayonnement et nuages, ainsi que divers cycles chimiques.

Collaboration entre - et au-delà - des laboratoires nationaux

Le projet E3SM a impliqué des chercheurs de plusieurs laboratoires du DOE dont Argonne, Brookhaven, Laurent Livermore, Laurent Berkeley, Los Alamos, Oak Ridge, Laboratoires nationaux Pacific Northwest et Sandia, ainsi que plusieurs universités.

Le projet bénéficie également d'une collaboration au sein du DOE, y compris avec le projet Exascale Computing et les programmes de découverte scientifique par l'informatique avancée, Développement et validation de modèles climatiques, Mesure du rayonnement atmosphérique, Programme de diagnostic et d'intercomparaison des modèles climatiques, Projet international d'analyse comparative des modèles de terres, Modèle de système terrestre communautaire et expériences écosystémiques de nouvelle génération pour l'Arctique et les tropiques.