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Auftakt für PalMod: Eine nationale Paläoklima-Modellierungsinitiative

Mit der Auftaktveranstaltung am 1. und 2. Februar an der Hafencity Universität Hamburg haben die Teilnehmer das Projekt mit dem ambitionierten Ziel eingeläutet, einen vollständigen Eiszeitzyklus zu simulieren - von der letzten Zwischenwarmeit bis zum Anthropozän. Das PalMod-Projekt wird vom Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMBF) gefördert, um das Verständnis der Dynamik des Klimasystems und der Klimavariabilität während des letzten Eiszeitzyklus' zu verbessern.

Etwa 120 Teilnehmer von 18 wissenschaftlichen Institutionen aus ganz Deutschland trafen sich in Hamburg, um die notwendigen Schritte zu diskutieren, damit innerhalb der Projektlaufzeit eine Simulation von 135.000 Jahren mit einem gekoppelten Atmosphären-Ozean-Inlandeis-Modell realisiert werden kann.

Neben der Verbesserung existierender Erdsystem-Modelle in Bezug auf umfangreichere physikalische und biogeochemische Prozesse ist die Reduzierung der Laufzeit dieser Modelle auf Hochleistungsrechnersystemen von entscheidender Bedeutung. Aus gutem Grund ist das DKRZ Partner in diesem Projekt; gemeinsam mit den anderen Institutionen sollen die Modelle insbesondere im Hinblick auf die Nutzung des DKRZ-Hochleistungsrechners Mistral für die geplanten Simulationsläufe optimiert werden. Weiterhin sollen neue Algorithmen und andere Hardware-Architekturen untersucht werden. Joachim Biercamp, Leiter der Abteilung Anwendungen am DKRZ, ist dabei einer der Koordinatoren der Working Group 4 in PalMod, welche genau diese Optimierungen verfolgt.

Hierbei hat das Wort Optimierung eine doppelte Bedeutung: einerseits wird die Qualität der Modelle optimiert, andererseits die Performance - also die Laufzeit der Simulationen reduziert. Beide Aspekte sind entscheidend für das geplante Vorhaben, da eine Langzeit-Simulation des Erdsystems nur dann Sinn macht, wenn die Qualität der Ergebnisse gesichert ist und die Ergebnisse in einer akzeptablen Zeit zur Verfügung stehen.

Zum Beispiel werden in Work Package 4.4 "Algorithmic and Implementation Performance Optimization", geleitet von Hendryk Bockelmann (DKRZ), verschiedene Möglichkeiten zur Optimierung des Modells untersucht. Einerseits werden modellspezifische Entwicklungen angegangen, um die Leistungsfähigkeit des Biogeochemie-Modells HAMOCC zu verbessern. Strategien zur Vergröberung des Modellgitters und ein beschleunigtes Verfahren zur Berechnung der Sedimentablagerungen stehen hierbei im Mittelpunkt. Andererseits werden neue Transportverfahren basierend auf Semi-Lagrange-Advektions-Schemata analysiert. Diese zwei Aspekte zielen auf eine signifikante Reduktion der Laufzeit des Modells ab - bei gleichbleibender Qualität der Ergebnisse und dennoch nachvollziehbaren und wartbaren Source Codes.

Weitere Optimierungen sollen durch zwei eher technische Herangehensweisen erreicht werden. Nach einer eingehenden Evaluierung der eingesetzten Erdsystem-Modelle und Erstellung eines detaillierten Laufzeitprofils werden die Möglichkeiten einer Portierung auf spezielle Hardware wie GPGPUs oder Xeon Phi Prozessoren ausgelotet. Ebenso sollen verbesserte Algorithmen und Datenstrukturen im Hinblick auf einen möglichen Performance-Gewinn untersucht werden. Daraus ergeben sich passende Implementierungen für das aktuelle System und zukünftige Hardware, zur schnelleren Simulationen führen.

Weitere Information sind verfügbar auf der PalMod Webseite: www.palmod.de

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