ΠΩΣ ΓΙΝΕΤΑΙ Η ΠΡΟΓΝΩΣΗ ΜΕ ΤΑ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΚΑΙΡΟΥ

Πολυεπεξεργαστικά Συστήματα και το μέλλον της Αριθμητικής Πρόγνωσης

Η αριθμητική πρόγνωση στράφηκε πολύ γρήγορα στη χρήση υπερυπολογιστών για δύο λόγους:

  • Τα μετεωρολογικά μοντέλα είναι γενικά μεγάλοι (χρονοβόροι) κώδικες αφού για την εκτέλεσή τους απαιτείται ένα μεγάλο πλήθος επεξεργασιών και υπολογισμών ενός τεράστιου όγκου δεδομένων
  • Τα αποτελέσματα των μετεωρολογικών μοντέλων πρέπει να παρέχονται σε ένα πολύ σύντομο χρονικό διάστημα στα τμήματα επεξεργασίας και μελέτης αυτών, προκειμένου να εξαχθούν έγκαιρα τα τελικά συμπεράσματα της πρόγνωσης και κατόπιν να διοχετευθούν στους τελικούς αποδέκτες. Για παράδειγμα η πρόβλεψη ενός καταστροφικού φαινομένου από το αριθμητικό μοντέλο θεωρείται μη εκμεταλλεύσιμη πληροφορία αν χρονικά έπεται του φαινομένου.

Ουσιαστική λύση στο πρόβλημα του χρόνου εκτέλεσης επήλθε μόνο τα τελευταία χρόνια και δεν ήταν καθόλου τυχαίο ότι συνέπεσε χρονικά με τη σημαντική πρόοδο που σημειώθηκε στο χώρο των υπερυπολογιστών. Με τις δυνατότητες και τα μέσα που διέθετε πλέον ο χώρος της πληροφορικής, η αριθμητική πρόγνωση σημείωσε σημαντικά βήματα αφού δημιουργήθηκε η υποδομή για ανάπτυξη και εφαρμογή πολύ αξιόπιστων ατμοσφαιρικών μοντέλων που μπορούσαν να προσομοιώνουν πλέον την ατμόσφαιρα με πολύ ρεαλιστικό τρόπο.

Οι υπερυπολογιστές (άλλως παράλληλες μηχανές ή πολυεπεξεργαστικά συστήματα), είναι εξειδικευμένοι υπολογιστές που αναπτύχθηκαν για την εκτέλεση μεγάλων προγραμμάτων όπως τα μετεωρολογικά μοντέλα. Τα βασικά τους χαρακτηριστικά δε διαφέρουν από τα αντίστοιχα των μονοεπεξεργαστικών συστημάτων, για παράδειγμα διαθέτουν μνήμη, δίσκους, λειτουργικό σύστημα UNIX κτλ. Η ουσιαστική τους διαφορά είναι ότι δε διαθέτουν μόνο ένα αλλά αρκετούς επεξεργαστές, οι οποίοι εξασφαλίζουν στο χρήστη αρκετά μεγάλη υπολογιστική ισχύ και κατά συνέπεια γρήγορη επεξεργασία. Οι επεξεργαστές αυτοί συνεργάζονται για την επίτευξη ενός κοινού σκοπού, δηλαδή για την επίλυση ενός προβλήματος σε όσον το δυνατό συντομότερο χρονικό διάστημα. Για την σωστή συνεργασία των επεξεργαστών οι τελευταίοι ανταλλάσσουν μηνύματα και πληροφορίες μεταξύ τους, μέσω ενός ταχύτατου εσωτερικού δικτύου.

Η παράλληλη υπολογιστική μηχανή που διαθέτει αυτή τη στιγμή η ΕΜΥ για τις ανάγκες της αριθμητικής πρόγνωσης είναι η HP-CONVEX SPP –1600 η οποία διαθέτει τους επεξεργαστές HP PA-RISC PA 7200 και ένα υποσύστημα ιεραρχικής μνήμης δύο επιπέδων. Το υποσύστημα αυτό παρέχει πολύ γρήγορη πρόσβαση για κάθε επεξεργαστή σε κάθε διεύθυνση μνήμης του συστήματος. Το συγκεκριμένο υπολογιστικό σύστημα διαθέτει 16 επεξεργαστές υπολογιστικής ισχύος 240 MF ο καθένας. Δηλαδή ο κάθε επεξεργαστής έχει τη δυνατότητα να εκτελεί 240 εκατομμύρια πράξεις το δευτερόλεπτο. Κατά συνέπεια η συνολικά διαθέσιμη υπολογιστική ισχύς της μηχανής είναι 16Χ240=3840 MF. Ανήκει στην κατηγορία των Shared Memory μηχανών, δηλαδή οι 16 επεξεργαστές της διαμοιράζονται μια κοινή μνήμη αντί να διαθέτει ο καθένας τη δική του.

Η ιδέα της παράλληλης επεξεργασίας είναι σχετικά απλή : H χρήση περισσοτέρων του ενός επεξεργαστών για τη λύση ενός μοναδικού προβλήματος. Κατά τον ίδιο τρόπο που δέκα για παράδειγμα εργάτες βάφουν ένα σπίτι πολύ γρηγορότερα απ΄ ότι ένας, έτσι 2, 16, ή 64 επεξεργαστές μπορούν να λύσουν ένα πρόβλημα πολύ γρηγορότερα απ’ ότι ένας. Ωστόσο η αυτόματη κατανομή του φόρτου εργασίας από το ίδιο το υπολογιστικό σύστημα στους επεξεργαστές δεν είναι η πιο αποδοτική. Σε αυτή την περίπτωση οι επεξεργαστές απασχολούνται ανομοιόμορφα και κατά συνέπεια το αποτέλεσμα δεν είναι καθόλου ικανοποιητικό. Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η απόδοση του συστήματος απαιτείται η παρέμβαση ειδικών προγραμματιστών στο σειριακό κώδικα του μοντέλου–οι μηχανές δεν είναι ακόμα αρκετά έξυπνες- και η μετατροπή του σε παράλληλο χρησιμοποιώντας ειδικές βιβλιοθήκες παράλληλου προγραμματισμού (MPI PVM κτλ). Στο πρόγραμμα «ΣΚΙΡΩΝ» το παραπάνω έργο υλοποιήθηκε από το τμήμα πληροφορικής του πανεπιστημίου Αθηνών. Αυτό που επιτυγχάνεται τελικά με τη μέθοδο αυτή, είναι η διάσπαση του αρχικού προβλήματος σε ένα αριθμό όμοιων υποπροβλημάτων. Στη συνέχεια ο κάθε επεξεργαστής ασχολείται αποκλειστικά με την επίλυση του δικού του υποπροβλήματος συγχρόνως με τους υπόλοιπους. Σήμερα η ΕΜΥ για την προετοιμασία της για την Ολυμπιάδα του 2004, έχει σχεδιάσει και θα εφοδιασθεί με υπολογιστικό σύστημα πολύ μεγάλης απόδοσης που θα της δώσει τη δυνατότητα να κάνει πολύ καλή πρόγνωση τοπικού καιρού.