A meteorológia szuper nagy problémái

Hamarosan hazánkba érkezik az ország legerősebb számítógépe, amely teljes pompájában több mint háromszor erősebb lesz a jelenleg bajnoknál, a Nemzeti Információs Infrastruktúra Fejlesztési Iroda (NIIFI) által felügyelt 256 processzoros, négy Sun Fire szerverből álló gépnél. Az új szuperszámítógépet az Országos Meteorológiai Szolgálat (OMSZ) rendelte meg mintegy 200 millió forint értékben. Hogy miért van szükségük ekkora kapacitásra ilyen sok pénzért, mikor már van itthon szuperszámítógép? Erre kerestük a választ.

Az új monstrum az Egyesült Államokból érkezik két részletben, közölte lapunkkal Dr. Temesi Tibor kereskedelmi igazgató a Silicon Computers Kft. részéről, amely a neves amerikai SGI hazai képviselete. A nyertes konfiguráció egy 144 darab, 1,5 gigahertzes és 6 megabájt L3 cache-sel rendelkező Itanium 2 processzorral, valamint 288 gigabájt memóriával szerelt SGI Altix 3700 Bx2 gép, amelyet kifejezetten szuperszámítógépes feladatok szem előtt tartásával fejlesztett ki a Silicon Graphics. A Novell SUSE Linux Enterprise Server 9 operációs rendszert futtató gép csúcsteljesítménye közel 900 gigaflops, azaz 900 milliárd matematikai művelet másodpercenként. A NIIFI-nél lévő négygépes Sun-grid 240 milliárdot teljesít. A gép első fele (72 processzor, 144 GB ram) február végén, a második része pedig májusban kerül telepítésre.

A meteorológia szuper nagy problémái

A televízióban eddig is elmondták a következő napok időjárását, miért van akkor szükség egy új, 200 millió forintos gépszörnyetegre? Az időjárás úgynevezett numerikus, azaz számszerű előrejelzése a légkört leíró bonyolult parciális differenciálegyenletrendszer megoldásán alapul. Az egyenletrendszert analitikus megoldása nem lévén közelítő módszerekkel oldjuk meg: egyrészről már magában az egyenletekben is közelitesekkel élünk, másrészről pedig a megoldást is közelítő numerikus sémák segítségével állítjuk elő, mondta el lapunknak Horányi András a Numerikus Modellező és Éghajlat-dinamikai Osztály kutatója.

A légköri jelenségek determinisztikusak ugyan, folytatta a kutató, azaz fizikai törvényekkel, matematikai egyenletekkel pontosan leírhatóak, és a pontos kiinduló állapot ismeretében elvben tökéletesen előrejelezhetőek, a rendszer viselkedése azonban kaotikus rendszerek alapvető ismérveit mutatja: a kiindulási állapotban a legkisebb eltérés is hatalmas változásokká duzzadhat rövid időn belül. Márpedig a mindenkor rendelkezésre álló adatok hibával terheltek, tette hozzá, és a számítási modelleknek ezekből kellene pontos előrejelzéseket szolgáltatniuk.

Nagyobb számítási kapacitással nagyobb felbontású adathalmazt pontosabb modellel lehet feldolgozni, azaz a végeredmény rendkívül sokat javulhat. Ráadásul a gépidő egy részét nem is az előrejelzések készítése, hanem a modellel kapcsolatos kutatások, fejlesztések foglalják le. A fejlesztésben lévő és használt modelleket folyamatosan ellenőrizni kell, hogy megbízhatóságukat teszteljék és javíthassák.

Az OMSZ ambíciója, hogy a rövid (másfél-két nap) és az ultrarövid távú (12 óráig) magyarországi előrejelzések pontosságát és megbízhatóságát drasztikusan fokozza, amihez viszont a jelenleg használt IBM Regatta rendszernél közel ötször erőteljesebb gépre van szüksége, hogy azonos idő alatt fusson majd le a számítás a javított (és számításigényesebb) modellel, mint jelenleg.

A modellek a teret egy háromdimenziós rácshálózatra bontják, ahol az egyes rácspontok képezik a kiindulási adatokat. A jelenleg alkalmazott, úgynevezett ALADIN modell a felszíni, szondás, repülőgépes és műholdas mérésekből vízszintesen 8 kilométeres sűrűségű rácsot épít fel 49 szinten. Az időjárási adatokban várható változást 5 perces időlépcsőkben becsli a modell, így egy kétnapos előrejelzés 576 lépésben fut le: ennyiszer kell újra és újra elvégezni a gépnek a számításokat, 5 644 800 adatpontra. Erre pedig pontosan naponta kétszer 1 óra áll rendelkezésre, vagyis egyórás ablakok, ahogyan az OMSZ-nél hívják. Ekkor az időzített feladatütemező a gép minden erőforrását a modell rendelkezésére bocsátja, más szoftverek azonnal felfüggesztésre kerülnek.

A pontosság fokozása érdekében a 2007-2008 magasságában bevezetésre kerülő új modell rácssűrűsége 2,5 kilométerre csökken, a szintek számát 75-re emelik, ennek megfelelően pedig 1 percre csökken egy időlépcső hossza. Ezzel azonban közel nyolcvanszoros számítási tömeget kapnánk, ami teljességgel elfogadhatatlan. Ezért az OMSZ kutatói a korábban Európa méretű lefedettséget Magyarország területére szűkítik, az előrejelzés hosszát pedig 36 órára limitálják, így végül nagyjából ötszörös arányt kapunk.

[oldal:Vásároljunk szuperszámítógépet!]

Ezt az elkövetkező 1-2 évben jelentkező számítási kapacitásigényt felmérve az OMSZ még tavaly év végén hívott meg informálisan három hazai céget, hogy az adott pénzügyi keretek között a lehető legnagyobb teljesítményű megoldással rukkoljanak elő. A meghívottak között a HP, az IBM és az SGI magyar leányai szerepeltek, melyeknek nagyjából 1 hónap állt rendelkezésükre, hogy egymást felüllicitálva fényesre csiszolják ajánlataikat.

A listáról hiányzik a Sun Microsystems, ami főleg annak fényében érdekes, hogy a jelenleg legerősebb gépet ők jegyzik. Az OMSZ azonban feleslegesnek találta meghívni a vállalatot, mivel már elég intenzívnek érezte a három rivális jelentette versenyhelyzetet, miközben a NIIFI gépen végzett saját mérései alapján a Sun UltraSPARC processzorai túlságosan gyengén teljesítenek, no meg arról sem szabad megfeledkezni, hogy Európa többi meteorológiai szolgálatánál is viszonylag ritkán találunk SUN gépeket -- mondta el Horányi.

A hosszú távra szóló, 200 millió forintos közbeszerzési beruházásról nem kirakatmutatók, egy-egy specifikus feladatra kevéssé releváns ipari tesztek, hanem az OMSZ által jelenleg is éles üzemben használt két, időjárás-előrejelzést végző alkalmazásai alatt nyújtott teljesítmények alapján született meg a döntés. A HP, IBM és SGI megkapták a két szoftver milliónyi sort tartalmazó FORTRAN forráskódját, hogy azokkal finomhangolják rendszereiket. Ezt követően megkezdődött a versenyfutás a beszállítók között, melyet folytonos egymásra licitálás jellemzett, ez pedig váratlanul kedvező ajánlatokhoz vezetett, közölte Horányi a HWSW-nek adott interjújában.

Temesi úgy látja, az SGI döntően azért kerekedett felül a szoros versenyben, mert egyedül tudott ekkora feladatra ilyen alacsony áron osztott memóriás SMP-konfigurációt kínálni, amivel szemben a HP Opteron, az IBM pedig Power5 alapokra építő gépfürtökkel, más néven klaszterekkel pályázott. "Egy adott méretű feladat felett nem megfelelő a klaszter, az SMP-gépek ugyanis jobban skálázódnak" -- mondta Temesi, majd hozzátette, "a klaszter nem hatékony, erőforráspazarló architektúra. Ugyanazokat az adatokat többször kell a memóriában tárolni, a szoftvernek minden egyes gépen külön példányban kell futnia, stb."

Temesi érvelése helytállónak tűnik, ha érzékeltetjük az alulmaradt gépek kiépítettségét. Információink szerint a HP már közelebb járt a 300 Opteron processzormaghoz, míg az IBM ajánlata 200 Power5 mag és 800 gigabájt memória felett tartott. Horányi elmondása alapján bár teljesítmény terén viszonylag kiegyenlített volt a mezőny, az SGI Altixjának üzemeltetési költsége és további skálázódása sokkal bíztatóbb képet festett.

Az Altix 3700 osztott memóriás rendszerként 512 foglalatig skálázódik, amit a lassan évtizede fejlesztett NUMAlink kommunikációs technológiával ér el. A NUMAlink rendkívül alacsony késleltetést és magas sávszélességet biztosít, mely révén a processzorok villámgyorsan képesek kommunikálni egymással, valamint az egész memóriatartományhoz hozzáférni. A skálázódás így közel lineáris is lehet, a hamarosan érkező kétmagos Itanium 2 chipek esetén akár 1024 processzorig, így az OMSZ számára bőven nyújt még növekedési lehetőséget.

Az Opteron-klaszter ellen az OMSZ egyik legnyomósabb érve az extrém processzorszám volt, amely egy jövőbeni bővítéskor olyan tartományba emelkedik, ahol a használt kódok skálázódása nehezen előrejelezhető. A Power5-fürt pedig a hasonló megfontolásokon túl részben a magas fogyasztása és hőleadása miatt maradt alul. Az OMSZ becslése szerint több millió forintot kellett volna költeni a gépterem áramellátásának és hűtési berendezéseinek fejlesztésére, nem beszélve a megemelkedő üzemeltetési költségekről. Horányi szerint végül az SGI ajánlata bizonyult a legvonzóbbnak a teljesítmény, skálázhatóság és teljes birtoklási költség (TCO) figyelembevételével.

Távlatok

A rendelkezésre álló adatok pontosságának és a térbeli lefedettség kiterjedésének és sűrűségének fokozásával egyre pontosabb előrejelzéseket kapunk, a tökéletességnek azonban elvi korlátai vannak. A jelenleg alkalmazott modellek bár folyamatos nemzetközi fejlesztések eredményei, megbízhatóságuk ellenőrzése így is szakember felügyeletét követeli -- a modelek alapján előálló előrejelzéseket az előrejelző szakember hagyja jóvá vagy veti el.

Az OMSZ-ban operatív módon alkalmazott jelenlegi numerikus modellekkel nem becsüljük meg az előrejelzések bekövetkezési valószínűségeit, mivel egyetlen kiindulási állapotból determinisztikus számítások alapján működnek. Mivel azonban a kiindulási állapot elkerülhetetlenül hibákat tartalmaz, a rendszer pedig kaotikus, ezért indokolt lenne egyes forgatókönyveket valószínűsíteni. Ehhez azonban többféle (egyformán lehetséges) kiindulási állapotot kell létrehozni, és ezek mindegyikével lefuttatni a szimulációt -- 1 óra alatt. A számítógépes kapacitásigény így sokszorosára növekszik, erre pedig egyelőre nincs mód (mindazonáltal ez a terület intenzív kutatás alatt áll).

A tét nem az esti televíziós időjárásjelentésben elhangzott elnagyolt hőmérsékletek, hanem például a repülésirányítás, a pilótáknak tartott eligazítások, az energetikai vállalatok vagy a balatoni viharjelző, és katasztrófavédelmi rendszerek számára nyújtott adatok pontossága, előállításuk gyorsasága. Nagy utat kell még megtenni ahhoz, mire napokkal előre prognosztizálható lesz egy-egy helyileg kialakuló pusztító orkán, hirtelen lehűlés vagy szélsőséges csapadékmennyiség lehullása. A környezeti erők okozta károk megelőzése évente több milliárd forint megtakarítást eredményezhetne a gazdaságnak, nem beszélve az emberéletekről.

Véleménye van?

• írjon szerkesztőségünknek!