Каждый год в результате катастрофических последствий крупных землетрясений погибает от нескольких сотен до десятков тысяч человек. Помимо сотрясений грунта, опасность землетрясений включает оползни, прорывы плотин, наводнения и, что еще хуже, если морское дно внезапно сместится во время землетрясения, это может вызвать смертоносное цунами.
Хотя землетрясения невозможно предотвратить, процессы, затрагивающие тектонические плиты Земли, составляющие ее кору и верхнюю мантию, могут дать ученым подсказки о возможных последствиях этих надвигающихся бедствий до того, как они произойдут.
Группа под руководством профессора Цуёси Ичимуры из Института исследования землетрясений (ERI) Токийского университета (UTokyo) изучает деформацию тектонических плит, чтобы помочь прогнозировать стихийные бедствия, такие как землетрясения, на основе физики. В частности, команда моделирует границу тектонической плиты, простирающуюся от Ванкувера, Британская Колумбия, до Северной Калифорнии. На этой границе, называемой зоной субдукции Каскадия, прибрежные плиты Исследователь, Хуан де Фука и Горда перемещаются на восток и смещаются под Североамериканскую плиту, процесс, известный как субдукция, который может вызвать землетрясения большой магнитуды и вулканическую активность.
Команда недавно расширила и оптимизировала один из своих научных кодов для самого мощного и интеллектуального суперкомпьютера в мире для открытой науки, саммита IBM AC922 в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), Министерства энергетики США (DOE).) Офис научного пользователя, расположенный в Национальной лаборатории Министерства энергетики Ок-Ридж (ORNL).
Преобразовав неструктурированный неявный решатель конечных элементов с кодом структурированного огрубления сетки (UNICORN) в алгоритм, подобный искусственному интеллекту (ИИ), команда запустила UNICORN со скоростью 416 петафлопс и получила 75-кратное ускорение по сравнению с предыдущим состоянием. -современный решатель, полностью использующий мощь тензорных ядер графических процессоров Summit Volta. Тензорные ядра - это специализированные процессоры, которые быстро выполняют умножение и сложение матриц, используя вычисления со смешанной точностью.
«Тензорные ядра доступны не для любого типа вычислений», - сказал Кохей Фуджита, доцент ERI. «По этой причине нам пришлось согласовать все наши шаблоны доступа к данным и шаблоны умножения в соответствии с ними». Шаблоны доступа к данным определяют, как программа получает доступ к данным в памяти, и могут быть организованы более эффективно для использования конкретной компьютерной архитектуры.
Используя UNICORN, команда UTokyo смоделировала участок размером 1 944 км × 2 646 км × 480 км в зоне субдукции Каскадия, чтобы посмотреть, как тектоническая плита деформируется из-за явления, называемого «разломным сдвигом». внезапный сдвиг, происходящий на границе плиты.
Команда заявила, что новый решатель можно использовать в качестве инструмента, помогающего ученым в трудной задаче долгосрочного прогнозирования землетрясений - цель, реализация которой может привести к прогнозированию землетрясений и смягчению последствий стихийных бедствий.
Ранее команда продемонстрировала общий подход к внедрению ИИ в научные приложения в коде IMPlicit Solver with Artificial Intelligence and Transprecision Computing, или MOTHRA. Это достижение принесло им номинацию на звание финалиста Ассоциации вычислительной техники имени Гордона Белла. год.
«Для UNICORN мы оптимизировали код специально для Summit», - сказал докторант ERI Такума Ямагучи. «Новое оборудование с некоторыми специфическими функциями иногда требует сложных реализаций для повышения производительности».
UNICORN выполняет более плотные вычисления, что позволяет в полной мере использовать преимущества уникальной архитектуры Summit, включающей 9 216 процессоров IBM POWER9 и 27 648 графических процессоров NVIDIA Volta. Самая затратная с вычислительной точки зрения часть кода выполнялась со скоростью 1,1 экзафлопс со смешанной точностью - серьезное задание для кода, основанного на уравнениях, а не на вычислениях глубокого обучения. (Коды, основанные на последнем, по своей сути оптимальны для таких систем, как Summit.)
Чтобы решить проблемы будущих землетрясений, команде потребуется применить UNICORN для анализа реакции земной коры и мантии на сдвиг разлома с течением времени. Для этого потребуются тысячи симуляций, а затем сотни или тысячи дополнительных итераций для сравнения результатов с реальными землетрясениями.
«Чтобы достичь наших целей в области прогнозирования землетрясений, нам придется провести множество симуляций деформации земной коры, а затем сравнить наши результаты с наблюдаемыми записями прошлых землетрясений», - сказал Ичимура.