Добавить новость
smi24.net
News in English
Май
2024

Climate models can run for months on supercomputers – but my new algorithm can make them ten times faster

0

These are some of the most complex and important pieces of software ever written.

Climate models are some of the most complex pieces of software ever written, able to simulate a vast number of different parts of the overall system, such as the atmosphere or ocean. Many have been developed by hundreds of scientists over decades and are constantly being added to and refined. They can run to over a million lines of computer code – tens of thousands of printed pages.

Not surprisingly, these models are expensive. The simulations take time, frequently several months, and the supercomputers on which the models are run consume a lot of energy. But a new algorithm I have developed promises to make many of these climate model simulations ten times faster, and could ultimately be an important tool in the fight against climate change.

One reason climate modelling takes so long is that some of the processes being simulated are intrinsically slow. The ocean is a good example. It takes a few thousand years for water to circulate from the surface to the deep ocean and back (by contrast, the atmosphere has a “mixing time” of weeks).

Ever since the first climate models were developed in the 1970s, scientists realised this was going to be a problem. To use a model to simulate climate change, it has to be started from conditions representative of before industrialisation led to the release of greenhouse gases into the atmosphere.

To produce such a stable equilibrium, scientists “spin-up” their model by essentially letting it run until it stops changing (the system is so complex that, as in the real world, some fluctuations will always be present).

An initial condition with minimal “drift” is essential to accurately simulate the effects of human-made factors on the climate. But thanks to the ocean and other sluggish components this can take several months even on large supercomputers. No wonder climate scientists have called this bottleneck one of the “grand challenges” of their field.

Can’t just throw more computers at the problem

You might ask, “why not use an even bigger machine?” Unfortunately, it wouldn’t help. Simplistically, supercomputers are just thousands of individual computer chips, each with dozens of processing units (CPUs or “cores”) connected to each other via a high-speed network.

One of the machines I use has over 300,000 cores and can perform almost 20 quadrillion arithmetic operations per second. (Obviously, it is shared by hundreds of users and any single simulation will only use a tiny fraction of the machine.)

Large ocean wave, stormy sky
It takes an extraordinary amount of computing power to simulate long-term change in the ocean. andrejs polivanovs / shutterstock

A climate model exploits this by subdividing the surface of the planet into smaller regions – subdomains – with calculations for each region being performed simultaneously on a different CPU. In principle, the more subdomains you have the less time it should take to perform the calculations.

That is true up to a point. The problem is that the different subdomains need to “know” what is happening in adjoining ones, which requires transmitting information between chips. That is much slower than the speed with which modern chips can perform arithmetic calculations, what computer scientists call “bandwidth limitation”. (Anyone who has tried to stream a video over a slow internet connection will know what that means.) There are therefore diminishing returns from throwing more computing power at the problem. Ocean models especially suffer from such poor “scaling”.

Ten times faster

This is where the new computer algorithm that I’ve developed and published in Science Advances comes in. It promises to dramatically reduce the spin-up time of the ocean and other components of earth system models. In tests on typical climate models, the algorithm was on average about ten times faster than current approaches, decreasing the time from many months to a week.

The time and energy this could save climate scientists is valuable in itself. But being able to spin-up models quickly also means that scientists can calibrate them against what we know actually happened in the real world, improving their accuracy, or to better define the uncertainty in their climate projections. Spin-ups are so time consuming that neither are currently feasible.

The new algorithm will also allow us to perform simulations in more spatial detail. Currently, ocean models typically don’t tell us anything about features smaller than 1º width in longitude and latitude (about 110km at the equator). But many critical phenomena in the ocean occur at far smaller scales – tens of meters to a few kilometres – and higher spatial resolution will certainly lead to more accurate climate projections, for instance of sea level rise, storm surges and hurricane intensity.

How it works

Like so much “new” research it is based on an old idea, in this case one that goes back centuries to the Swiss mathematician Leonhard Euler. Called “sequence acceleration”, you can think of it as using past information to extrapolate to a “better” future.

Among other applications, it is widely used by chemists and material scientists to calculate the structure of atoms and molecules, a problem that happens to take up more than half the world’s supercomputing resources.

Sequence acceleration is useful when a problem is iterative in nature, exactly what climate model spin-up is: you feed the output from the model back as an input to the model. Rinse and repeat until the output becomes equal to the input and you’ve found your equilibrium solution.

In the 1960s Harvard mathematician D.G. Anderson came up with a clever way to combine multiple previous outputs into a single input so that you get to the final solution with far fewer repeats of the procedure. About ten times fewer as I found when I applied his scheme to the spin-up problem.

Developing a new algorithm is the easy part. Getting others to use it is often the bigger challenge. It is therefore promising that the UK Met Office and other climate modelling centres are trying it out.

The next major IPCC report is due in 2029. That seems like a long way off but given the time it takes to develop models and perform simulations, preparations are already underway. Coordinated by an international collaboration known as the Coupled Model Intercomparison Project, it is these simulations that will form the basis for the report. It is exciting to think that my algorithm and software might contribute.


Read more: Noise in the brain enables us to make extraordinary leaps of imagination. It could transform the power of computers too


The Conversation

Samar Khatiwala receives funding from UKRI.







Директор Росгвардии генерал армии Виктор Золотов принял участие в посвященных 100-летию дивизии имени Ф.Э. Дзержинского торжественных мероприятиях

Филиал № 4 ОСФР по Москве и Московской области информирует: Отделение СФР по Москве и Московской области выплатило единовременное пособие при передаче ребенка на воспитание в семью 474 семьям региона

Директор Росгвардии генерал армии Виктор Золотов принял участие в посвященных 100-летию дивизии имени Ф.Э. Дзержинского торжественных мероприятиях

СЕНСАЦИОННЫЙ ДОКЛАД ПРО ДЕЛО СКРИПАЛЕЙ, САФРОНОВА, ГОЛУНОВА.


Триумфальное возвращение Льва Лещенко на сцену спустя месяцы затишья. Артист презентовал дуэт с солистом группы “Парк Горького” Сергеем АРУТЮНОВЫМ

Gucci, коллекция menswear весна-лето 2025

Почти 1000 человек приняли участие в «МедЗабеге»

Закрытый Кипр: российские туроператоры возобновили продажу туров на остров Афродиты несмотря на санкции, спрос туристов превзошёл все ожидания


'Hum bhi insaan hain': Pakistan allrounder Imad urges calm

Scotland star SENT OFF after ‘worst tackle ever seen’ as they capitulate in Euro 2024 opener against Germany

Inside wicked world of ‘skinny scams’ as Ozempic and weight loss drug fraud attempts rise into the hundreds of thousands

Virtual Luck: Exploring Vavada Casino


Бесплатный билет в музеи Зеленоградска от «ПАРАDOX» и BelkaCar

Зубы дракона

Кинотеатр GOS-FILM: твой гид в мире фильмов

Hyundai привозит в Россию старый добрый седан по цене LADA Vesta


Гайд по Earn to Die Rogue: мифические предметы, билды и режимы

Embracer has closed Alone in the Dark studio Pieces Interactive

Мафия-НН: С юных ногтей будем учиться вгрызаться в двери, закрывающие ментальные миры.

Для Summoners Kingdom: Goddess проходит пробный запуск на Android


Монтаж димоходів та вентиляційних систем у Києві

Відомий аграрій Кормишкін, складає свої депутатські повноваження


Московский аэропорт Домодедово и Всероссийское общество инвалидов заключили соглашение о сотрудничестве

Топ-5 самых ярких зарубежных архитектурных проектов на первичном рынке Москвы

За прошедшую неделю подмосковные росгвардейцы обеспечили безопасность более 200 мероприятий


ФАС РФ поддерживает ограничение экспорта дизельного топлива для непроизводителей

Чиновник КНДР выгнал из зала опередивших Ким Чен Ына российских министров

Директор Росгвардии генерал армии Виктор Золотов принял участие в посвященных 100-летию дивизии имени Ф.Э. Дзержинского торжественных мероприятиях

Ефимов: эстакада над Варшавским шоссе на южном участке МСД готова на 70%


Станкович: хочу, чтобы моя команда была организованной в любой момент матча

Паркинг с оригинальным фасадом построят в подмосковном ЖК «1-й Южный»

МИД: Россия требует вывода из Европы ядерного оружия США

Почти 1000 человек приняли участие в «МедЗабеге»


«Ну и где здесь «группа смерти?» ATP показала, каким был бы Евро-2024 с теннисистами

Саснович победила на старте квалификации турнира WTA-500 в Берлине

«Надо чем-то жертвовать». Арина Соболенко отказалась ехать на Олимпиаду в Париже

Людмила Самсонова не отдала голландскую траву // Она продолжила серию российских побед на теннисном турнире в Хертогенбосе


Рабочий пострадал в результате падения лифта в жилом здании в Москве

Кинофестиваль для участников «Активного долголетия» прошел в Орехово-Зуеве

«Метриум»: Новостройки Москвы за пять лет подорожали на 71%

Более 1,2 тысячи человек приняли участие в заплыве на открытой воде в Истре


Музыкальные новости

Рэпер Элджей выступил на фестивале «Черника Fest Music» в Новосибирске

StarHit: Лепс приехал на премию МУЗ-ТВ с невестой, 18-летней студенткой МГИМО

Про царя в голове: Гергиев привез в «Большой» «Ивана Сусанина»

«Моцарт vs Шопен» от Amadeus Concerts


Как Россия уступила Азербайджану значительные территории Дагестана и два села

СЕНСАЦИОННЫЙ ДОКЛАД ПРО ДЕЛО СКРИПАЛЕЙ, САФРОНОВА, ГОЛУНОВА.

В России запустили бесплатного цифрового ЗОЖ-помощника

Галина Ржаксенская впервые стала участником ПМЭФ в Санкт-Петербурге


РБК: в Москве из-за случаев ботулизма приостановили продажу некоторых продуктов

Первый Международный фестиваль «Мир классического романса»

В Лужниках состоялась церемония открытия Всероссийской Спартакиады Специальной Олимпиады

Футбольный фестиваль «ЦСКА — Все сюда!» провели в Одинцове


Бесплатный билет в музеи Зеленоградска от «ПАРАDOX» и BelkaCar

Движение на участке Боровского шоссе приостановлено из-за сверхинтенсивных осадков

Фест, байк, рок-н-ролл. Как в Москве отметили День мотоциклиста

В Москве движение на участке Боровского шоссе перекрыли из-за осадков


СЕНСАЦИОННЫЙ ДОКЛАД ПРО ДЕЛО СКРИПАЛЕЙ, САФРОНОВА, ГОЛУНОВА.

Путин летит к Ким Чен Ыну. Россия и Северная Корея станут стратегическими партнёрами

ДОКЛАД ПРО ДЕЛО СКРИПАЛЕЙ, САФРОНОВА, ГОЛУНОВА. ПРО НАУКУ АКТИВНОЙ ВСЕЛЕННОЙ. ЭКСПЕРТ АНАТОЛИЙ ГОЛОД.

ЯНДЕКС, АЛЕКСАНДР ПУШКИН, АНАТОЛИЙ ГОЛОД И "СВЯТОЙ ЛЕНИН" ВЕДУТ СЛЕДСТВИЕ ВЕКА! ВАЖНЫЕ СЕРЬЁЗНЫЕ ДАННЫЕ.


Зачем Марина Александрова уехала из Москвы в сибирскую глушь

ПМЭФ-2024: премиальный бренд HONGQI представил на Форуме свои флагманские и новые модели



В Москве убийца пожилых инвалидов засунул сборник нот в тело жертвы

Врач-дерматолог Мадина Байрамукова: что делать с "мурашками» на коже

Московский аэропорт Домодедово и Всероссийское общество инвалидов заключили соглашение о сотрудничестве

Сеть клиник «Будь Здоров» запустила собственное мобильное приложение для пациентов



Резидент «Инсайт Люди» Дмитрий Зубов установил мировой рекорд по чеканке мяча

В УФСИН России по Республике Дагестан прошли лично-командные соревнования по легкой атлетике

Красногорск первым встретил участников международного супермарафона Москва-Минск

В Лужниках состоялась церемония открытия Всероссийской Спартакиады Специальной Олимпиады



Собянин прибыл в Китай с рабочим визитом

Сергей Собянин: Активно укрепляем отношения с Китаем

Москва-Пекин. Собянин в Китае подписал соглашение о сотрудничестве

Собянин рассказал о росте турпотока из Китая


Бизнес-омбудсмен Москвы оказывает поддержку НМСП

Козлов: Россия и КНДР прорабатывают возможность запуска прямых рейсов

Обмен электронными транспортными накладными стал доступен участникам «Биржи грузоперевозок ATI.SU»

По каким признакам можно распознать машину-«утопленника»: лайфхак


К проекту «Открой#Моспром» с начала года присоединилось около 1 млн человек

Московские власти подписали 32,3 тысячи соглашений на портале поставщиков

Паркинг с оригинальным фасадом построят в подмосковном ЖК «1-й Южный»

Кинофестиваль для участников «Активного долголетия» прошел в Орехово-Зуеве


Express: АПЛ «Архангельск» представляет большую угрозу инфраструктуре НАТО

Более 39 млн рублей направлено на летний отдых и оздоровление детей-сирот в Архангельской области

Преподаватель из Архангельска вышла в финал международного конкурса «Педагогическое начало – 2024»

Актера Игоря Меркулова похоронят на Николо-Архангельском кладбище


Аварийное отключение электроэнергии произошло почти в тридцати населенных пунктах Крыма

Фольклорно-литературная программа «Сказки детства, полные чудес, нас уводят в царство тридесятое»

Футболисты ЮФУ одержали три победы в домашнем турнире

Выставка-посвящение «Первая дама советской скульптуры»


Появились кадры подписания Договора о стратегическом партнерстве РФ и КНДР

«Метриум»: Новостройки Москвы за пять лет подорожали на 71%

Кинофестиваль для участников «Активного долголетия» прошел в Орехово-Зуеве

Рабочий пострадал в результате падения лифта в жилом здании в Москве














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *