GPU并行大气数值模式动力核心

1. 成果简介

大气数值模式动力核心是高性能计算重要的应用领域之一。随着高性能计算技术的发展和大气数值模式分辨率的提高，GPU并行加速大气数值模式动力核心成为重要的研究和应用方向。

GPU并行的基础动力核心使用立方球网格和有限体积方法求解大气动力方程组。立方球网格划分按照一定的投影方式将球内接立方体上的网格映射到球面上，从而将球面等分为六个相同的网格，每个网格与另外四个彼此相接。地球大气首先按照垂直方向划分为若干层，将每层大气拟为一个球面，然后通过等边划分的球心投影将立方体网格投影到球面上。动力核心采用有限体积方法计算水平方向物理量，为了获得更高的精度，分别使用C类型网格和D类型网格。C网格计算旋度和散度等物理量。D网格计算水平风场及热力学物理量等。

GPU并行线程使用三维排布，通过线程序号来定位需要计算网格点位置的数据。GPU代码消除垂直方向的循环，以最大的程度展开任务，实现并行效率的最大化。为了提高GPU计算性能，采用的技术有：减少中间变量访存、减少重复访存、消除指针别名、循环合并和分支合并等。

GPU并行计算提高大气数值模式的计算速度和分辨率，为气象气候研究和数值天气预报等提供支持。

图1 大气数值模式动力核心框架

图2 GPU并行计算流程

图3 大气数值模式运行结果

2. 技术创新点

（1）全流程GPU并行计算。

（2）支持高分辨率。

（3）计算效率高，支持国产GPU。

3. 技术成熟度

该成果处于产品化阶段（市场应用）。

4. 可应用领域

该成果可用于数值天气预报、气候变化研究等领域。

5. 联系人

黎雷生、leisheng@iscas.ac.cn，18911068558