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

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.)

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


Samar Khatiwala receives funding from UKRI.








Ольга Романив: как вести себя с мужчиной, который нравится

Когда профессионализм равно безопасность: сеть клиник «Будь Здоров» оказала поддержку участникам «Суворовского трейла»

Клинический психолог Юлия Тарибо: каким типам личностей сложно было вместе

Сотрудничество с БГТУ: студенты проходят практику в депо «Вязьма»


Son Of British Boxing Legend Retires From The Sport Aged Just 24: “Won’t Be Fighting Again”

Trump's cuts force Texas food banks to ration supplies for flood survivors

First confirmed death during Trump ICE raid is a farmworkers at a California cannabis facility

ICE is 'supercharging detention' with 'flagrantly unlawful' policy: lawyers


Предзимние туманы

Чилим на позитиве...

Ольга Романив: как вести себя с мужчиной, который нравится

Вот билет на контент, на эксплойт билетов нет


Those shadow giants in the distance in Elden Ring Nightreign are over 2 miles tall⁠—almost as big as the Erdtree⁠—and nobody even mentions them in the game

The Expanse RPG's developers are 'humbled' by comparisons to BioWare's heyday, but don't expect it to be a straight Mass Effect clone: 'We make our story a little bit differently'

MMORPG Lord Nine: Infinite Class выпустят в Юго-Восточной Азии 31 июля

Гайд на Fuqiu из Etheria Restart: навыки, PvE-билд, расклад в PvP и дубликаты



Клинический психолог Юлия Тарибо: каким типам личностей сложно было вместе

Ольга Романив: как вести себя с мужчиной, который нравится

Врач-офтальмолог Элина Санторо: как выбрать идеальные солнцезащитные очки

Росгвардейцы из Чеченской Республики стали победителями и призерами чемпионата Северо-Кавказского округа Росгвардии по комплексному единоборству


«Сила в команде»: судебные приставы Кузбасса приняли участие во всероссийских хоккейных соревнованиях среди силовиков

Жители Прикамья активно покупают билеты на транспорт в отделениях Почты России

«Турбозавры» поучаствовали в Дне московского транспорта

Врач-офтальмолог Элина Санторо: как выбрать идеальные солнцезащитные очки


Из трёх музеев Томской области томичи отправили по почте 500 «тёплых открыток»

«Сила в команде»: судебные приставы Кузбасса приняли участие во всероссийских хоккейных соревнованиях среди силовиков

В Подмосковье за один вечер молнии три раза ударили в дома

Жители Прикамья активно покупают билеты на транспорт в отделениях Почты России


Медведев стал обладателем Кубка короля в Испании.

Синнер впервые стал победителем Уимблдона

Кудерметова завоевала свой первый титул Уимблдона в парном разряде.

«Гордимся!»: Рустам Минниханов отметил успех Вероники Кудерметовой на Уимблдоне


Из трёх музеев Томской области томичи отправили по почте 500 «тёплых открыток»

Проверить стыковку и показать «разрядку»: полвека назад началась советско-американская миссия «Союз» — «Аполлон»

«Союз-Аполлон» — вторая встреча над Эльбой. А можем повторить?

(НЕ)СЕКРЕТНУЮ СЛУЖБУ США ПОДОЗРЕВАЮТ В ПОСТАНОВКЕ СЦЕНЫ ПОКУШЕНИЯ НА ТРАМПА. СЕНСАЦИЯ! Новости. В.В. Путин, Дональд Трамп. Россия, США, Европа могут улучшить отношения и здоровье общества!


Музыкальные новости

Сотрудники Росгвардии обеспечили безопасность на мероприятии «Ночь П.И. Чайковского»

Концерт на День города в Нижнем Новгороде обойдется в 31 млн рублей

Мать Тимати призналась, что каждый день видится с его беременной невестой

Сияющая Лорак и элегантный Баста: звезды на гала-концерте «Звезд Русского Радио» в Сочи


Росгвардейцы из Чеченской Республики стали победителями и призерами чемпионата Северо-Кавказского округа Росгвардии по комплексному единоборству

Клинический психолог Юлия Тарибо: каким типам личностей сложно было вместе

Косметолог Наталья Рябинова: в чем разница между эстетическим и медицинским трихологом

Врач-офтальмолог Элина Санторо: как выбрать идеальные солнцезащитные очки


ТВ "Союз". Концерт духовной музыки при участии хоров из России состоялся в приходе иконы Божьей Матери «Всех скорбящих Радость»

Сделка против Путина: Что предложила Канада Пригожину за снятие санкций. Правду скрывали годами

«Спартак» продлил контракт с люксембургским футболистом Мартинсом

Главный архитектор BN Group: CLT-панели позволяют реализовать смелые идеи архитекторов


В Москве мужчина ограбил магазин на АЗС, угрожая пистолетом

Вскрытие без последствий – сервис «Спас-замков»

Красные арки, синяя подсветка. В Москве строят новые пешеходные мосты

КАМАЗ-4280 начал тестовую эксплуатацию на маршруте в Подмосковье


Путин отметил успех школьников на Международной химической олимпиаде.

В США сделали смелое заявление в отношении Путина.

В РФ раскрыли замысел Трампа после его попыток шантажировать Путина

"Пока Путин не заметит это безобразие": Пономарев резко высказался о легионерах в РПЛ




Косметолог Наталья Рябинова: в чем разница между эстетическим и медицинским трихологом

Травмированного на репетиции в цирке Москвы акробата выписали из больницы

Врач-офтальмолог Элина Санторо: как выбрать идеальные солнцезащитные очки

Врач-трихолог Мадина Осман: как часто можно делать пересадку волос


ВСУ атаковали дронами женщин под Сумами: Били за надпись "Мы русские"


«Турбозавры» поучаствовали в Дне московского транспорта

Росгвардейцы из Чеченской Республики стали победителями и призерами чемпионата Северо-Кавказского округа Росгвардии по комплексному единоборству

Раскрыто расписание Олимпийских игр 2028 года в Лос-Анджелесе.

«Спартак» продлил контракт с люксембургским футболистом Мартинсом


Лукашенко предложил Петербургу ремонтировать всю белорусскую технику

«Нам в Минске надо учиться». Лукашенко похвалил Беглова за зимнюю уборку Петербурга

Лукашенко заявил о необходимости проверки чиновников за манипуляции с ценами.

Петербургская делегация провела переговоры с президентом Беларуси в Минске


Сергей Собянин: В Москве появятся три новых пешеходных моста к 2027 году

Сергей Собянин: роботы и электромашины на страже московских улиц

Собянин встретился с новоселами дома по реновации в Хорошево-Мневниках

Сергей Собянин: Взяли курс на развитие высокотехнологичного сектора


РЭО проведет акселератор для экоцентров на базе Плехановского университета

В НОВОМ ОТЧЕТЕ LG ОБ УСТОЙЧИВОМ РАЗВИТИИ ОТМЕЧЕН ПРОГРЕСС В ДОСТИЖЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ 2030 ГОДА

РЭО запускает акселератор для экологических центров на базе Плехановского университета

Платформа Spark.ru - полезное пространство для представителей малого и среднего бизнеса


Юрист Хаминский назвал возможных наследников режиссёра Юрия Мороза

АвтоВАЗ отгружает Lada Iskra дилерам. Цены объявят на этой неделе

«Союз-Аполлон» — вторая встреча над Эльбой. А можем повторить?

Многим рискует: юрист сказал, как сидит «золотой» экс-полковник Захарченко


В городе Барнауле стартовал третий этап смотра-конкурса на звание "Лучшее звено газодымозащитной службы" среди Главных управлений МЧС России

Беспроводной сканер штрих-кодов SAOTRON P05i промышленного класса

Алтайский край оказался в числе регионов-аутсайдеров по доступности вторичного жилья

Защищённый планшет Saotron RT-W11J на базе ОС Windows10


Симферополь частично остался без света утром 14 июля

Десятки улиц Симферополя остались без света 14 июля

Крыму и еще 24 регионам России спишут долги на миллиарды рублей

Феодосия получила 150 миллионов на ремонты дворов - где начнут работы


«Ηичeгο οб Apмeнии бeɜ Apмeнии» – Зaпaд οбeщaeт Εpeвaну тο жe, чтο и κοгдa-тο Κиeву

«Динамо» ведёт переговоры о переходе Рубенса из «Атлетико Минейро»

Аллерголог предупредила о подушках, которые могут вызывать отек Квинке

Жители Прикамья активно покупают билеты на транспорт в отделениях Почты России














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