Sujet 1.7 Titre Comment mettre œuvre les nombreux calculs demandés par les modèles de climat ? Contributeurs Marie-Alice Foujols IPSL Eric Maisonnave CERFACS Bannière (250 caractères MAX) Les modèles de climat se basent sur des programmes informatiques qui calculent, heure après heure, l’ensemble des variables d’état des différentes composantes du système climatique. La période simulée peut aller de quelques années à quelques centaines d’années, voire plus encore. Texte (3000 caractères MAX) Les programmes informatiques décrivant les calculs à effectuer pour une simulation de type climatique sont composés de nombreux sous-programmes représentant en tout plusieurs centaines de milliers de lignes de code. Pour chaque point du maillage du globe terrestre (latitude, longitude, altitude ou profondeur), ils détaillent les calculs à effectuer, pas de temps par pas de temps, pour quantifier les différentes variables d’état de chacune des composantes du système climatique (atmosphère, surfaces continentales, océan, glace de mer, biogéochimie, chimie atmosphérique) suivant les équations décrivant leur évolution. Les calculateurs actuels, composés d’un grand nombre de cœurs de calcul travaillant en parallèle, permettent de simuler ainsi l’évolution du climat sur des périodes allant de quelques mois à quelques dizaines ou centaines d’années, voire quelques milliers d’années. Chaque processeur (cœur de calcul) se charge d’un sous-ensemble des calculs, en général d’un sous-domaine du globe terrestre. La chaine de calcul se compose de plusieurs étapes: le calcul proprement dit et des posttraitements systématiques: regroupement de fichiers, moyennes de variables (par exemple par décennie), réalisation de cartes présentées dans des atlas, création de séries temporelles de variables représentatives, suivi en ligne (www) de l’évolution schématique de variables sélectionnées. Pour étudier le climat, on doit simuler sur ordinateur son évolution sur au minimum des dizaines, et jusqu'à des centaines de milliers d'années. Par exemple, l'étude statistique de la variabilité naturelle du climat à l'époque pré-industrielle nécessite de simuler 2000 années de son comportement sur des mailles de 100 km de côté: avec les moyens de calcul actuels, la réalisation de cette simulation a pris quasiment une année entière. L'accroissement futur de ces moyens de calcul nous permettra, à condition que les indispensables modifications soient faites sur nos codes, soit d'effectuer ces calculs plus rapidement (il ne faudra plus que quelques jours pour réaliser 2000 années de simulation), soit de prendre en compte plus de phénomènes physiques (l'évolution de la calotte glaciaire, la hauteur des vagues, etc.), soit de simuler ces phénomènes sur plus de points de grille (des détails à l'échelle de 10 km seront visibles), soit d'effectuer plusieurs simulations légèrement différentes en parallèle pour améliorer la significativité statistique de nos résultats. Le choix entre ces différentes améliorations se fait en fonction du domaine d'intérêt (réchauffement climatique, prévision saisonnière/décennale, étude de processus ...). Dans chaque cas, un compromis est nécessaire pour choisir le niveau de détail du climat simulé en fonction des ressources informatiques disponibles. Pour CMIP5, la machine NEC SX-9 de 3 nœuds de 16 processeurs de calcul, financée par GENCI et maintenue par le TGCC entre avril 2009 et décembre 2012, était dédiée à l’IPSL. Certaines simulations ont été réalisées sur les autres calculateurs disponibles au TGCC (machine Bull) et à l’IDRIS (machine IBM); à Toulouse, 16 processeurs de NEC SX-8 de Météo-France ont été utilisés pendant 2 ans. Dans le même temps, 2,3 Po de données ont été produites (2 Po IPSL et 260 To Météo-France), dont 301 To (250 To IPSL et 51 To Météo-France) ont été distribuées, automatiquement et sur demande, aux autres groupes d’études et de recherche grâce à l’installation de nœuds de distribution ESFG (Earth System Grid Federation) dans les différents centres de calcul (IPSL, Météo-France, TGCC, IDRIS). Encart : (500 caractères MAX) Les ressources informatiques nécessaires : leur histoire et leur avenir La modélisation du climat est un domaine d’utilisation classique des calculateurs scientifiques. Les progrès de ces calculateurs pendant les dernières décennies ont permis de traiter de plus en plus de calculs : la taille des mailles s’est affinée, le système climatique a été complété par les composantes nécessaires (atmosphère, surfaces continentales, océan, glace de mer, biogéochimie, chimie atmosphérique), les composantes ont elles-mêmes été détaillées, les simulations sont plus longues et les ensembles de simulations permettent dorénavant d’appréhender les statistiques nécessaires. Une erreur classique : (260 caractères MAX) Les codes climat ne sont pas parallélisés. Depuis de nombreuses années, les équipes développant les modèles de climat améliorent les algorithmes et utilisent de plus en plus de processeurs simultanément, quelques centaines actuellement. Certains maillages possèdent des particularités essentielles pour les algorithmes utilisant plusieurs milliers ou plus encore de processeurs. On citera la sphère cubée ou les icosaèdres (ballon de football). Lexique : 1 mot (150 caractères MAX) : Facultatif FLOPS (FLoating point Operations Per Second) FLOPS signifie « opérations à virgule flottante par seconde ». Le nombre de FLOPS est une mesure commune de la vitesse d'un calculateur scientifique. Les vitesses des ordinateurs étaient en MégaFLOPS (106 FLOPS) en 1980, en GigaFLOPS(109 FLOPS) en 1990, en TéraFLOPS(1012 FLOPS) en 2000 et maintenant en PétaFLOPS(1015 FLOPS). Nature et légendes des images (+ copyright si nécessaire) Image 1 : Image 2 : Copyright: © Animea, F. Durillon Copyright: CEA, C Ménaché (A vérifier) http://dods.ipsl.jussieu.fr/brocksce/dev_comm/animat Calculateurs NEC SX-8 et SX-9 et serveurs de ion/terre_climat_v1.psd fichiers SGI installés au CCRT