دانشمندان «دوقلوی دیجیتال زمین» را با دقتی در مقیاس یک کیلومتر ساختند
پیش بینی وضعیت آب و هوا از گذشته تا امروز همیشه یک موضوع دشوار و پرخطا بوده است. مدل سازی آب و هوا نیز جای خود را دارد. اما افزایش توانایی انسان در پیش بینی رفتار طبیعت عمدتاً به دلیل دو پیشرفت است: ۱. بهبود مدل های علمی، ۲. افزایش قدرت محاسباتی رایانه ها.
به گزارش افق میهن و به نقل از sciencealert; اکنون، یک مطالعه جدید به رهبری دانیل کلوک از موسسه ماکس پلانک آلمان، دستاوردی را گزارش می‌کند که برخی از کارشناسان مدل‌سازی آب و هوا از آن به عنوان جام مقدس یاد می‌کنند:
یک مدل جهانی زمین با دقت تقریباً یک کیلومتر مقیاس که ترکیبی از پیش‌بینی آب و هوا و مدل‌سازی آب و هوا است.
البته دقت واقعی این مدل دقیقاً یک کیلومتر نیست، بلکه ۱.۲۵ کیلومتر برای هر سلول شبیه سازی شده است.
اما در چنین ابعادی تفاوت چندانی ندارد!
حدود ۳۳۶ میلیون سلول برای پوشش کل خشکی و اقیانوس های زمین تعریف شده است.
محققان همان تعداد سلول را برای لایه بالایی جو اضافه کردند، بنابراین در مجموع از ۶۷۲ میلیون سلول محاسباتی در مدل استفاده شد.
دو دسته از فرآیندها: سریع و آهسته
برای هر یک از این سلول ها، دانشمندان مجموعه ای از مدل های تو در تو را برای بازسازی سیستم های دینامیکی هسته زمین اجرا کردند.
آنها این سیستم ها را به دو گروه تقسیم کرده اند:
• فرآیندهای سریع مانند چرخه انرژی و آب (یعنی همان پدیده های جوی و آب و هوایی).
برای ردیابی دقیق این فرآیندها به وضوح بسیار بالایی نیاز است – درست مانند این مدل جدید با دقت ۱.۲۵ کیلومتر.
مدل ICOsahedral Nonhydrostatic (ICON) در این پروژه استفاده شد، مدلی که توسط سرویس هواشناسی آلمان و موسسه هواشناسی Max Planck توسعه یافته است.
• فرآیندهای آهسته شامل چرخه کربن، تغییرات در بیوسفر، و دگرگونی های شیمیایی در اقیانوس ها هستند – پدیده هایی که در طول سال ها یا حتی دهه ها رخ می دهند، نه در عرض چند دقیقه مانند یک طوفان که از یک سلول ۱.۲۵ کیلومتری به سلول بعدی حرکت می کند.
ترکیب این دو نوع فرآیند پیشرفت علمی بزرگ این تحقیق است.
مدل‌های معمولی که چنین پیچیدگی‌هایی را در خود جای می‌دهند، تنها در وضوح‌های بیشتر از ۴۰ کیلومتر قابل اجرا بودند.
اما محققان آلمانی به لطف مهندسی نرم افزار بسیار پیشرفته و استفاده از جدیدترین تراشه های ابررایانه، توانستند این مانع را بشکنند.
چگونه موفق شدند؟
کد اصلی این مدل در فرترن نوشته شده است – برای هر کسی که سعی در به روز رسانی کدهای قبل از دهه ۱۹۹۰ دارد یک کابوس است!
با گذشت زمان، کد اصلی با افزونه‌ها و تغییرات متعدد پیچیده‌تر و ناکارآمدتر شده بود و دیگر با معماری‌های محاسباتی مدرن سازگار نبود.
به همین دلیل، تیم تحقیقاتی از چارچوبی به نام برنامه نویسی موازی داده محور (DaCe) استفاده کردند. چارچوبی که داده ها را به گونه ای مدیریت می کند که با سیستم های امروزی سازگار باشد.
برای اجرای این مدل از دو ابررایانه JUPITER (در آلمان) و Alps (در سوئیس) استفاده شد.
هر دو بر اساس تراشه قدرتمند GH200 Grace Hopper از NVIDIA هستند.
در این تراشه ها، یک GPU (همان تراشه های گرافیکی مورد استفاده در آموزش هوش مصنوعی به نام هاپر) در کنار یک CPU از ARM (به نام Grace) قرار دارد.
این تقسیم وظایف بین GPU و CPU به محققان اجازه می دهد تا مدل های سریع (مانند آب و هوا) را روی GPU اجرا کنند.
و مدل های کندتر (مانند چرخه کربن) را همزمان روی CPU اجرا کنید.
در مجموع، تیم تحقیقاتی توانستند از ۲۰۴۸۰ تراشه GH200 استفاده کنند.
مدلی را اجرا کنید که ۱۴۵.۷ روز از شرایط زمین را تنها در یک شبانه روز شبیه سازی می کند!
برای انجام این کار، مدل تقریباً یک تریلیون “درجه آزادی” را محاسبه کرد – یعنی یک تریلیون مقدار عددی که باید در هر لحظه به روز می شد.
بدیهی است که چنین مدلی فقط با یک ابر کامپیوتر در این سطح قابل پیاده سازی است.
البته این بدان معناست که چنین مدل هایی به این زودی ها در اختیار ایستگاه های پیش بینی آب و هوای محلی قرار نخواهند داشت.
قدرت محاسباتی لازم به سختی برای آن فراهم شده است.
و شرکت های بزرگ فناوری اکنون ترجیح می دهند از این قدرت محاسباتی برای بهینه سازی هوش مصنوعی استفاده کنند –
حتی اگر این تصمیم به قیمت کند کردن پیشرفت در مدل‌سازی آب و هوا باشد.
با این حال، واقعیت این است که دانشمندان به خاطر این دستاورد عظیم شایسته تحسین هستند.
این مرحله می تواند مسیر آینده تحقیقات آب و هوا را تغییر دهد.
و شاید روزی برسد که اینگونه شبیه سازی ها به ابزار رایج و روزمره علم و پیش بینی آب و هوا تبدیل شوند.
