foto: Shutterstock

Milion miliard operací za sekundu. Nový superpočítač v ČHMÚ nás má připravit na budoucnost

Věci chytřetéma 7 a více min čtení

Jmenuje se poeticky Aurora a ví nejen to, co se bude dít v následujících deseti letech, ale třeba i za století. Před pár měsíci se nastěhovala do Českého hydrometeorologického ústavu a je pečlivě opečovávaná: jde o superpočítač, který modeluje budoucí klimatický vývoj v tuzemsku, a jejím cílem je na něj Česko připravit. Její teoretický výkon je 1 Petaflops. To je milion miliard, tedy deset na patnáctou operací za jedinou sekundu.

Líbí se vám článek? Sdílejte ho:

Jmenuje se poeticky Aurora a ví nejen to, co se bude dít v následujících deseti letech, ale třeba i za století. Před pár měsíci se nastěhovala do Českého hydrometeorologického ústavu a je pečlivě opečovávaná: jde o superpočítač, který modeluje budoucí klimatický vývoj v tuzemsku, a jejím cílem je na něj Česko připravit. Její teoretický výkon je 1 Petaflops. To je milion miliard, tedy deset na patnáctou operací za jedinou sekundu.

Související článek

Superpočítače z Ostravy pomáhají najít evropský lék proti koronaviru

Nejvýkonnější počítače v Česku začaly bojovat s druhou vlnou koronaviru. Národní superpočítačové centrum IT4Innovations VŠB-TUO se jako jediný český zástupce zapojuje do prestižního evropského programu Exscalate4COV, který má hledat způsoby, jak porazit COVID-19, ale i další možné budoucí hrozby.

Superpočítač s přesným označením SX-Aurora Tsubasa stál přes 72 milionů korun a bude předpovídat takzvané klimatické scénáře. Bude se soustředit výhradně na předpovědi klimatu, a to konkrétně v našem regionu. Neřeší tedy to, jaké počasí bude zítra nebo za tři dny, ale dopočítává chování atmosféry: to, jak často a jak intenzivní bude sucho, bleskové povodně nebo silný vítr.

Na základě vstupních režimových podmínek bude stroj schopný vyvíjet předpovědi na desítky let dopředu, a to podle přesně stanoveného scénáře podmínek. „Těmi jsou například předpokládané koncentrace skleníkových plynů, změny pokrytí krajiny vegetací nebo změny vodního režimu naší krajiny,“ vysvětluje Radmila Brožková, vedoucí oddělení numerických předpovědí z ČHMÚ.

Klíčové přitom je, že výpočty budou probíhat ve vysokém rozlišení, které bude stejné jako pro předpovědní model, tedy 2,3 km. Klimatické změny se obvykle počítají s rozlišením 50 až 100 kilometrů. Modely pak vypadají podobně jako při tvorbě digitálního modelu terénu – místo jedné plochy čtverečkovaného podkladu tu však jde o třírozměrný obraz, kdy jednotlivé vrstvy začínají u zemského povrchu a jdou až vysoko do atmosféry. Ta je popsána desítkami hladin (jejich množství záleží právě na rozlišení), které u země kopírují terén a s výškou se „narovnávají“ do ploch se stejným tlakem. Model ale počítá i s povrchovými i podzemními toky, stejně jako třeba s výpary.

Související článek

Bouřka už vás nezaskočí. Aplikace o počasí umí před lijáky a krupobitím varovat včas

Tento týden jsme to zažili znovu. Krátké, ale o to intenzivnější bouřky doprovázené lijáky a krupobitím letos trápí Česko překvapivě často. Zaplavují sklepy, ničí úrodu i auta a znepříjemňují prázdninové výlety. Stačí ale jeden pohled do mobilu k tomu, aby člověk zjistil, jestli se ho bouřka dotkne. Jen je potřeba mít tu správnou aplikaci. Poradíme vám, které to jsou.

Aurora bude používána s druhým nejmodernějším superpočítačem, který ČHMÚ využívá. Ten ústav spustil před třemi lety a dopočítává model počasí na omezené oblasti pro krátkodobou předpověď, tedy tři dny. Pro představu: aby uskutečnil předpověď na 72 hodin, je třeba spočítat 2880 integračních kroků. Aby bylo s výkonem počítače možné spočítat předpověď na příštích 72 hodin během 45 minut, je třeba dosáhnout výkonu 2 Teraflops za sekundu.

Supervýkonné stroje meteorologický ústav pravidelně doplňuje novými, a to zhruba jednou za sedm let. „Náš nejnovější superpočítač jsme pořídili v rychlejším sledu pro posílení výpočetní kapacity pro modelování klimatu. Vůči přístroji nyní využívanému pro operativní předpovědi, s klasickou architekturou x86-64 a 320 dvou-paticovými servery s celkem 7680 jádry, jsme získali výkonnostní faktor 3,2. Je to faktor, který kombinuje rychlost výpočtu jedné předpovědi a kolik takových předpovědí je možné v daném čase spočítat současně. Jiné zajímavé porovnání můžeme udělat pro spotřebu energie na daný výpočet. Zatímco na současném provozním počítači bychom potřebovali příkon 24,75 kW, tak na nové platformě stačí 6 kW,“ přibližuje Brožková.

Počasím pro podporu jaderné energie

Bez vysoce výkonných počítačů dnes meteorologické služby nemůžou fungovat. V ČHMÚ začali s digitalizací v 80. letech a první moderní superpočítač pro model Aladin (Aire Limitée Adaptation dynamique Dévéloppement INternational) – tedy předpověď počasí na tři dny ve vysokém rozlišení – zprovoznil v roce 1998. Aladin tu superstroje počítají čtyřikrát za den.

Aladin je vlastně složitý matematický program. Byl poprvé nasazen při povodních v roce 1997, kdy se ČHMÚ stal součástí krizového řízení. Jeho výstupy slouží i k dalšímu zpracování v mnoha dalších systémech, například integrované výstražné služby, při předpovědi povodní, v systému řízení letového provozu a letišť, řízení a údržby silničního provozu nebo třeba výroby jaderné energie.

Při výpočtech se ovšem musí pospíchat: „Výpočet předpovědi musí dostat prognostik včas pro vydání předpovědí, případně výstrah. Čím dříve máme potřebnou informaci, tím lépe ji můžeme využít, připravit se,“ zmiňuje Brožková s tím, že se pak informace využívají pro návazné aplikace, jako jsou srážkově-odtokové modely nebo chemické transportní modely, tedy koncentrace látek v ovzduší.

Související článek

Český Atos postavil v Bulharsku nejvýkonnější superpočítač ve východní Evropě

Česká filiálka společnosti Atos dodala bulharskému technologickému ústavu Sofia Tech Park nejvýkonnější superpočítač ve východní Evropě. Stroj postavený na hybridní architektuře BullSequana XH2000 bude po zprovoznění letos v červenci poskytovat špičkový výkon až 6 petaflopů. Superpočítač je spolufinancovaný Bulharskou republikou a společným podnikem EuroHPC investicí 11,5 milionu eur.

Aby bylo možné počasí spočítat, potřebují stroje data z měření. Používají se data z velké části Evropy i takzvané okrajové podmínky z globálního modelu. „Čím více informací o stavu atmosféry máme, tím lépe, ale kvůli zmíněné časové kritičnosti nemůžeme čekat na jejich dostupnost příliš dlouho. Obvyklý kompromis je, že se do termínu chystané předpovědi čeká necelé tři hodiny. Potom se počítá nejprve analýza atmosféry, která je počáteční podmínkou, a z ní následuje výpočet předpovědi. Od získání vstupů máme na všechny výpočty a na tvorbu produktů přibližně hodinu času,“ vysvětluje Brožková.

Součástí důležitých informací, které superpočítače k předpovědím potřebují, jsou takzvaná data z pozorování. Pozorují přístroje – jde totiž o informace, které posílají o stavu atmosféry, od teploty přes tlak, směr a rychlost větru až po vlhkost vzduchu: „Data z pozemních meteorologických stanic, radio-sondážních stanic, přístrojů na komerčních letadlech nebo lodích či na plovoucích bojích v moři,“ vysvětluje Brožková.

K nim se přidávají takzvaná nekonvenční měření, kam patří satelity nebo třeba radarová měření. „Například satelity měří různými přístroji elektromagnetické záření systému Země-atmosféra v určitých pásmech vlnového spektra, a teprve z toho se odvozuje teplota či vlhkost v různých vrstvách atmosféry,“ doplňuje Brožková.

Nevyšlo? V pořádku, neznáme přeci každou molekulu

Jak je tedy možné, že přes všechnu pomoc přístrojů předpověď nevyjde? „Je za tím v naprosté většině případů nedostatek vstupních měření nebo nedostatečná znalost jiných podmínek, například množství ledu v půdě na konci zimy. Samozřejmě že žádný model není dokonalý, nelze přesně popsat všechny procesy a všechna cirkulační měřítka, která jdou od planetárních útvarů velkých tisíce kilometrů až po měřítko molekul. Každá předpověď je tedy zatížena nějakou chybou,“ vysvětluje Brožková.

Ve skutečnosti však není jednoduché říct, který model na předpověď zvolit s tím, že je prostě lepší. ČHMÚ jim podle reálných výsledků připisuje skóre a ta pak vyhodnocuje podle toho, jak počasí reálně vyšlo. Jenže jeden model může mít větší chybu v předpovědi teploty, jiný zas ve větru. A při tom ještě záleží na tom, jak dlouhou předpověď hodnotíme.

Obecně se jako o jedné z nejpřesnějších služeb hovoří o norské meteorologické službě Yr. Ta však ve skutečnosti pro české území jen „překládá“ vstupy právě z ČHMÚ, jak už dříve pro Svět chytře popsal Mark Rieder. „Prostřednictvím webu a mobilní aplikace prezentuje výsledky modelu Evropského centra pro střednědobou předpověď počasí (ECMWF). Česká republika je členem tohoto centra, podílíme se na přípravě výstupů, a kolegové z Norska tak vlastně prezentují i naši práci,“ vysvětluje Brožková s tím, že tu hraje roli rozdíl, jestli se hodnotí samotná data, nebo zpracování, tedy aplikace, ve které si uživatelé počasí prohlížejí.

„Model Evropského centra patří dle statistik mezi nejlepší globální modely, tedy takové, co modelují zemskou atmosféru na celé zeměkouli. Tyto modely se dále zpřesňují regionálními, které jsou počítány ve vysokém rozlišení, jako je například Aladin, a které zpřesňují předpověď zejména přízemních parametrů a projevů lokálního počasí. I norská služba využívá pro své území předpovědní systém Aladin, kdy je jeho lokální aplikace v severských zemích pojmenována Harmonie. Na vysvětlenou: model Evropského centra má sice krok rastru přibližně 10 km, ale atmosférickou informaci filtruje v měřítku zhruba 40 km, a nemůže tudíž podchytit jevy menších měřítek tak, jako to dokáže Aladin, který je provozován s krokem sítě jednotek kilometrů,“ říká Brožková.

Témata:
Líbí se vám článek? Sdílejte ho:
link odkaz
Reklama