С появлением экзафлопсных суперкомпьютеров исследователи вскоре смогут точно и быстро и с беспрецедентной детализацией моделировать движения грунта при региональных землетрясениях, а также предсказывать, как эти движения повлияют на энергетическую инфраструктуру - от электросети до местных электростанций. - и научно-исследовательские объекты.
В настоящее время междисциплинарная группа исследователей из национальных лабораторий Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Лоуренса Ливермора (LLNL) Министерства энергетики (DOE), а также Калифорнийского университета в Дэвисе строит первый в мире сквозной код моделирования для точного отражения геологии и физики региональных землетрясений, а также того, как сотрясение влияет на здания. Эта работа является частью проекта Exascale Computing Project (ECP) Министерства энергетики США, целью которого является максимальное использование преимуществ экзафлопсных вычислений - будущих суперкомпьютеров, которые будут в 50 раз быстрее, чем самая мощная система нашей страны сегодня - для экономической конкурентоспособности США, национальной безопасности и научных открытий.
Из-за вычислительных ограничений текущее геофизическое моделирование на региональном уровне обычно разрешает движение грунта с частотой 1-2 герца (колебаний в секунду). В конечном счете, мы хотели бы иметь оценки движения порядка 5-10 герц, чтобы точно зафиксировать динамическую реакцию для широкого спектра инфраструктуры», - говорит Дэвид Маккаллен, который возглавляет поддерживаемую ECP работу под названием «Высокопроизводительное междисциплинарное моделирование для оценки сейсмической опасности и риска регионального масштаба». Он также является приглашенным ученым в области наук о Земле и окружающей среде лаборатории Беркли.
Одной из наиболее важных переменных, влияющих на повреждение зданий землетрясением, является частота сейсмических волн, или скорость, с которой волна землетрясения повторяется каждую секунду. Здания и сооружения по-разному реагируют на определенные частоты. Крупные сооружения, такие как небоскребы, мосты и эстакады, чувствительны к низкочастотным сотрясениям, в то время как более мелкие сооружения, такие как дома, с большей вероятностью будут повреждены высокочастотными сотрясениями, которые колеблются от 2 до 10 герц и выше. Маккаллен отмечает, что моделирование высокочастотных землетрясений более требовательно к вычислительным ресурсам и потребует экзафлопсных компьютеров.
В рамках подготовки к экзамасштабу Маккаллен работает с Хансом Йохансеном, исследователем из отдела вычислительных исследований (CRD) лаборатории Беркли, и другими над обновлением существующего кода SW4, который моделирует распространение сейсмических волн, чтобы воспользоваться преимуществами последних суперкомпьютеры, такие как система Cori Национального научно-вычислительного центра энергетических исследований (NERSC). Эта многоядерная система содержит 68 процессорных ядер на чип, почти 10 000 узлов и новые типы памяти. NERSC - это национальный пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США, управляемый Berkeley Lab. Код SW4 был разработан группой исследователей LLNL во главе с Андерсом Петерссоном, который также участвует в работе над эксафлопсами.
С недавними обновлениями SW4 коллаборация успешно смоделировала землетрясение магнитудой 6,5 на разломе Хейворд в Калифорнии с частотой 3 Гц на суперкомпьютере Cori NERSC примерно за 12 часов с 2048 узлами Knights Landing. Это первое в своем роде моделирование также зафиксировало воздействие этого движения грунта на здания в радиусе 100 квадратных километров (км) от разрыва, а также на 30 км под землей. С будущими эксафлопсными системами исследователи надеются запустить ту же модель с разрешением 5-10 Гц примерно за пять часов или меньше.
«В конечном счете, мы хотели бы получить гораздо большую область, более высокое разрешение по частоте и ускорить время моделирования», - говорит Маккаллен.«Мы знаем, что способ разрыва разлома является важным фактором в определении того, как здания реагируют на сотрясение, и, поскольку мы не знаем, как разорвется разлом Хейворд или точную геологию района залива, нам нужно запустить много симуляций для изучения различных сценариев. Ускорение наших симуляций на экзафлопсных системах позволит нам сделать это."
Прогнозирование землетрясений: прошлое, настоящее и будущее
Исторически сложилось так, что исследователи применяли эмпирический подход к оценке движений грунта и того, как тряска влияет на структуры. Таким образом, чтобы предсказать, как землетрясение повлияет на инфраструктуру в районе Сан-Франциско, исследователи могут изучить прошлое событие, которое было примерно такого же масштаба - оно могло даже произойти где-то еще - и использовать эти наблюдения для прогнозирования движения грунта в Сан-Франциско. Затем они выбирали некоторые параметры из этих симуляций на основе эмпирического анализа и делали предположения, как это может повлиять на различные здания.
«Неудивительно, что в некоторых случаях этот метод работает не так хорошо, - говорит Маккаллен. «Каждый участок уникален - геологический состав может различаться, разломы могут быть ориентированы по-разному и так далее. Поэтому наш подход заключается в применении геофизических исследований к суперкомпьютерному моделированию и точном моделировании лежащей в основе физики этих процессов».
Для этого инструмент, разрабатываемый командой проекта, использует метод дискретизации, который делит Землю на миллиарды зон. Каждая зона характеризуется набором геологических свойств. Затем моделирование вычисляет движение поверхности для каждой зоны. Имея точное представление о движении поверхности в заданной зоне, исследователи также получают более точные оценки того, как тряска повлияет на здание.
Последнее моделирование, проведенное командой в NERSC, разделило область размером 100 км x 100 км x 30 км на 60 миллиардов зон. Смоделировав 30 км под местом разрыва, команда может понять, как геология поверхностного слоя влияет на движения грунта и здания. В конце концов, исследователи хотели бы настроить свои модели для оценки опасности. Поскольку компания Pacific Gas & Electric (PG&E) начинает внедрять очень плотный набор акселерометров в свои SmartMeters - систему датчиков, которая собирает данные об использовании электроэнергии и природного газа в домах и на предприятиях, чтобы помочь клиенту понять и сократить потребление энергии, - Маккаллен работа с коммунальной компанией над возможным использованием этих данных для получения более точного понимания того, как на самом деле движется земля в различных геологических регионах.
«Залив Сан-Франциско является чрезвычайно опасным районом с сейсмической точки зрения, а разлом Хейворд, вероятно, является одним из самых потенциально опасных разломов в стране», - говорит Маккаллен. «Мы решили смоделировать эту область, потому что здесь много информации о геологии, поэтому наши модели достаточно хорошо ограничены реальными данными. И, если мы сможем точно измерить риск и опасности в районе залива, это будет иметь большое влияние."
Он отмечает, что текущая оценка сейсмической опасности для Северной Калифорнии идентифицирует разлом Хейворд как наиболее вероятный разрыв с магнитудой 6,7 или выше до 2044 года. области порядка 100-500 км и разрешение порядка одного-пяти метров, что соответствует сотням миллиардов узлов сетки. Поскольку исследователи стремятся моделировать движения с еще более высокой частотой от 5 до 10 герц, им потребуются более плотные вычислительные сетки и более точные временные шаги, что приведет к увеличению вычислительных требований. Маккаллен говорит, что единственный способ добиться такого моделирования - использовать эксафлопсные вычисления.