Ученые Техасского университета в Остине, Исследовательского центра IBM Research, Нью-Йоркского университета и Калифорнийского технологического института стали лауреатами премии Гордона Белла 2015 года за наиболее реалистичное воспроизведение процессов внутри Земли, управляющих тектоникой плит. Такие исследования помогут лучше понять причины возникновения землетрясений и вулканов.

Новое достижение было сделано благодаря передовым алгоритмам, выполняемым вычислительной системой «Sequoia» IBM BlueGene/Q, расположенной в Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса. Эта система является одним из самых быстрых суперкомпьютеров в мире.

Группа исследователей разработала инновационные алгоритмы для математического метода расчета, так называемого «неявного решения», которые помогли создать реалистичную модель элементов Земли в беспрецедентном разрешении и с высокой точностью. Ученым удалось предсказать движение земных плит и воздействующих на них сил, и одновременно воспроизвести процессы в недрах Земли. Примечательно, что созданная модель включает в себя более 600 миллиардов нелинейных уравнений, что является большим достижением в вычислительной науке и проектировании.

Вычисления были произведены с помощью вычислительной системы «Sequoia», состоящей из 96 стоек IBM BlueGene/Q и достигающей рекордной теоретической производительности в 20,1 петафлопс. Каждая стойка состоит из 1 024 вычислительных узлов, на которых располагаются микросхемы 16-ядерных процессоров на базе POWER, созданных для обработки больших данных с частотой 1,6 GHz.

Код, разработанный группой, достиг беспрецедентных 97% параллельной эффективности масштабирования программы решения до 1,6 миллионов ядер — это новый мировой рекорд. Такой выдающийся результат был получен в результате полного переосмысления вычислительного подхода: от математической модели и численных методов до массированной параллельной реализации. Группа разработала численный метод, который способен одновременно охватить большое число различных масштабов, использующихся при описании мантии Земли, и, в то же время, эффективно использующий массивно-параллельную архитектуру суперкомпьютера BlueGene/Q.

«Этот успех поможет ответить на некоторые фундаментальные вопросы, например, каковы главные причины движения плит и какие процессы приводят к сильным землетрясениям», — говорит профессор Майкл Гернис, директор сейсмологической лаборатории Калифорнийского технологического института.

«В то время как общепринятая точка зрения полагает, что эффективное решение систем существенно нелинейных уравнений на системе из миллионов ядер практически недостижимо, мы показали, что постепенная реконструкция дискретизации, алгоритмов, решателей и инструментов реализации делает это возможным», — комментирует Георг Стадлер, профессор Курантовского института математических наук Нью-Йоркского университета.

«Этот механизм применим к гораздо более широкому классу моделей в науке и проектировании, включающих комплексный многомасштабный режим работы», — подчеркивает Омар Гаттас, директор Центра вычислительных геонаук в Институте вычислительного проектирования и наук, профессор геологических наук и механического проектирования в Техасском университете в Остине.

Многие фундаментальные принципы движения земных недр, которые являются основной причиной разрушительных землетрясений, вулканов и цунами, остаются загадкой для ученых. Фактически, понимание явления «мантийной конвекции» было названо Национальными академиями Соединенных Штатов одним из «10 важнейших исследовательских вопросов в области наук о Земле».

«Мы только начинаем демонстрировать, как комбинация передовых алгоритмов, использование суперкомпьютера, анализ больших данных, собранных с сенсорных датчиков и устройств «Интернета вещей» могут помочь реалистично воспроизводить наиболее критичные нелинейные разнородные силы природы, — говорит Костас Бекас, руководитель отдела основ когнитивных вычислений IBM Research в Цюрихе. — Мы исследуем новые способы использования большого количества доступных сенсорных данных и их когнитивной обработки по заданной теме. Это позволит специалистам-практикам сократить количество времени, требуемое для разработки решения, с нескольких лет до недель и даже дней в любой области, начиная с изобретения новых материалов до открытия новых, ранее неосвоенных источников энергии».

Подробностями об исследовании поделились авторы научной работы: Йохан (Иоганн) Руди — Техасский университет в Остине, Кристиано И. Малосси — IBM Corporation, Тобин Исаак — Техасский университет в Остине, Георг Стадлер — Нью-Йоркский университет, Майкл Гернис — Калифорнийский технологический институт, Питер У.Дж. Стаар — IBM Corporation, Ив Инайхен — IBM Corporation, Костас Бекас — IBM Corporation, Алессандро Куриони — IBM Corporation, Омар Гаттас — Техасский университет в Остине.

Научные сотрудники IBM уже в шестой раз становятся лауреатами премии Гордона Белла, последний раз они были удостоены этой награды в 2013 году.

Исследование команды было опубликовано в материалах конференции SC15 «An Extreme-Scale Implicit Solver for Complex PDEs: Highly Heterogeneous Flow in Earth’s Mantle». Материал доступен по ссылке: http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=2807591.2807675