天气预报模型WRF中复杂Stencil性能优化

作     者：邸健强 袁良 张云泉 张思佳 DI Jianqiang;YUAN Liang;ZHANG Yunquan;ZHANG Sijia

作者机构：中国科学院计算技术研究所高性能计算机研究中心北京100190 大连海洋大学信息工程学院辽宁大连116023 

基　　金：国家自然科学基金(61972376,62072431,62032023) 华为项目(TC20220914048) 

出 版 物：《计算机科学》 (Computer Science)

年 卷 期：2024年第51卷第4期

页      码：56-66页

摘      要：天气研究与预报模式(WRF)是一种应用广泛的中尺度数值天气预报系统,在大气研究和业务预报领域发挥着重要作用。Stencil计算是科学工程应用中一类常见的嵌套循环计算模式,WRF中对大气动力学和热力学方程的数值求解引出了大量空间网格上的复杂Stencil计算,存在多维度、多变量、物理模型边界特殊性、物理和动力学过程的复杂性等模型特征。文中深入剖析了WRF中典型的Stencil计算模式,识别抽象出典型Stencil循环中存在的“中间变量”概念,围绕其设计实现了3种优化方案,即中间变量计算合并、中间变量降维存储以及中间变量提取,有效提高了数据局部性,改善了数据重用率和空间复用率,降低了冗余计算和访存开销。结果表明,经优化方案重构的WRF 4.2典型Stencil热点函数在Intel CPU和Hygon CPU上均可获得良好的性能加速,最高加速比达21.3%和17.8%。

主 题 词：WRF Stencil计算 中间变量 优化方案 数据局部性 热点函数 性能加速 

学科分类：08[工学] 0835[0835] 081202[081202] 0812[工学-测绘类] 

D　O　I：10.11896/jsjkx.231000124

馆 藏 号：203127327...