[DOE] 기후 변화 연구를 위한 슈퍼컴퓨터를 사용하는 10년 프로젝트 착수
미국 로렌스 리버모어 국립 연구소, 아르곤 국립 연구소, 브룩헤이븐 국립 연구소, 로렌스 버클리 국립 연구소, 로스앨러모스 연구소, 오크리지 국립 연구소 및 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소 등을 포함한 8개 국가 연구소는 국립 대기 연구소(National Center for Atmospheric Research), 4곳의 학계 기관 및 1 곳의 개인 기업 등과 협력 관계를 구축하고 10 년에 걸친 슈퍼컴퓨터(HPC; high performance computing)를 활용한 기후 및 지구 시스템 모델을 개발하고 및 완성된 기후 및 지구 시스템 모델을 적용할 예정이다.
ACME(Accelerated Climate Modeling for Energy)라는 이 프로젝트는 과학 및 에너지 응용을 위한 최신 지구 시스템 모델(Earth system model)의 개발 및 응용을 가속하도록 고안된다. 이 계획은 최신 소프트웨어와 새로운 슈퍼컴퓨터를 이용할 예정이다. 초기 초점을 맞추게 될 분야는 세 가지 기후 변화 과학 추진자와 프로젝트의 초기 단계 동안 상응하는 질문에 해답을 제공하는 것이 될 것이다.
1. 물 순환(water cycle)
수문학적 순환과 수자원이 지역에서부터 전 세계 규모에 대하여 기후 시스템과 어떻게 상호작용할 것인가? 물 순환(해상도, 구름, 에어로졸, 눈덩이로 덮인 들판, 하천 유수, 토지 사용)에 중요한 보다 더 실제적인 특성의 묘사가 하천 흐름에 어떻게 영향을 끼칠 것이며, 수계 수준에서 관련된 담수 공급에 어떻게 영향을 끼칠 것인가?
물 순환을 해결하기 위하여, 프로젝트는 다음과 같은 가정을 했다. 1) 지난 40년에 걸쳐 하천 흐름에서 변화는 주로 토지 관리, 물 관리 및 에어로졸 강제력과 관련이 있는 기후 변화 등에 좌우됐다. 2) 향후 40년 동안 여느 때와 다름없는 시나리오에서 온실가스(GHG; greenhouse gas) 배출은 하천 흐름에 대한 변화를 유발할 것이다.
ACME의 목표는 미국 서부와 아마존의 상류 등과 같은 산악 지형상 복잡한 지형(산악 지대의 존재로 유발되거나 산악 지대와 관련이 있는)에서 강우와 표층수(surface water)에 특별히 초점을 맞춘 수문학 순환에서의 변화를 시뮬레이션하는 것이다.
2. 생물지구화학(biogeochemistry)
생물지구화학 순환이 전 세계 기후 변화와 어떻게 상호작용할 것인가? 탄소, 질소 및 인 등의 순환이 기후 시스템 피드백을 어떻게 제어할 것인가? 이러한 피드백이 모델 구조적 불확실성에 얼마나 민감한가?
생물지구화학 문제를 해결하기 위하여, ACME 연구진은 열대 시스템에 초점을 맞추어 영양분 순환의 보다 더 완벽한 처리가 탄소-기후 시스템 피드백에 어떻게 영향을 줄 것인가, 또 전 세계 생물지구화학-기후 피드백에 대한 지상 아래 반응 네트워크를 위한 대체 모델 구조에 어떻게 영향을 끼칠 것인가 등을 조사할 계획이다.
3. 빙설권 시스템(cryosphere systems)
빙설권 시스템 또는 물이 얼음 또는 눈으로 존재하는 지구의 지역에서 얼마나 급속한 변화가 기후 시스템과 상호작용하는가? 향후 40년 내에 남극 빙상에서 역학적 불안정성(dynamic instability)이 유발될 수 있는가?
빙설권에 대하여 연구팀은 역학적 불안전성을 유발하는 단기 위험과 빙상 지반선(grounding lines) 인근의 온난해지는 해수에 의해 발생한 급속한 융해로 기인한 남극 빙상의 붕괴의 시작을 조사하게 될 것이다. 실험은 남극 주변 해양 빙상에서 지반선 역학과 관련된 가능한 불안정성을 해결하기 위하여 역동적인 빙붕-해양 상호작용을 포함하는 처음으로 완전하게 결합된 지구 시뮬레이션이 될 것이다.
ACME는 미국 에너지부(DOE; Department of Energ)의 임무를 달성하기 위하여 고안된 주요 국가적 모델링 프로젝트이며, 현재와 미래 DOE가 주도하는 컴퓨터 자원을 효과적으로 이용하는 프로젝트이다. 10년에 걸쳐 계획된 이 프로젝트의 목표는 100-플러스 페타플롭 기계(100-plus petaflop machine)와 실제적으로 엑사스케일(exascale) 슈퍼컴퓨터 등과 같은 이용이 가능하게 될 가장 정교한 HPC 기계 상에서 시뮬레이션과 모델링을 수행하는데 있다.
큰 도전과제인 시뮬레이션은 현재의 모델과 전산 능력으로 가능한 것이 아니라, 연구진이 향후 3년에 걸쳐 주도적인 전산 구축을 운영하기 위한 모델링 시스템을 이용한 큰 도전과제 질문에 해답을 제공하는 방향으로 큰 진보를 달성할 수 있는 실험을 개발하는 것이라고 ACME 의장이며 대기 과학자인 David Bader는 밝혔다.
ACME는 4가지 교차 프로젝트 요인을 통하여 달성할 목표는 다음과 같다.
1) 과학적 의문과 사명을 해결할 수 있는 일련의 예측과 시뮬레이션 실험. ACME는 3~4년에 걸쳐 모델링 시스템의 연속적인 버전으로 시뮬레이션 캠페인을 구축한다. 모든 캠페인은 그 다음 캠페인에 정보를 제공하고, 약 10년에 걸쳐 수행된 최종 도전과제 시뮬레이션으로 이어질 수 있는 연속적인 버전의 모델링 시스템을 구현한다.
2) 명확하게 규명 및 테스트되고, 지속적으로 개선, 진화 및 진보한 모델 코드의 시스템이 ACME 지구 시스템 모델을 구성한다. ACME 프로젝트의 핵심은 모델 개발이다. ACME 모델 개발은 향후 10년에 걸쳐 자체적인 모델 시스템에 대한 5년의 개발 주기를 거치게 될 것이다.
3) ACME 프로젝트는 DOE와 공동 디자인 공정을 통하여 개발될 예정이다. 공동 디자인은 알고리듬과 소프트웨어를 고안하고 공식과 관련된 정보를 구축하는 구조 디자인과 기술에 영향을 끼치는 과학적 요건을 갖춘 컴퓨터 시스템 디자인 공정을 의미한다.
4) 코드 개발, 가정 테스트, 시뮬레이션 수행 및 결과 분석을 지원하는 사회 기반 시설.
그림1> ACME 프로젝트 로드맵. 이 로드맵은 주요 시뮬레이션 캠페인의 상대적인 시퀀스, 모델 버전 개발 및 기계 배치 등을 보여주고 있다.
[원문보기]
DOE launches major 10-year project to use high performance computing for climate change research; ACME
Eight national laboratories—Lawrence Livermore, Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Los Alamos, Oak Ridge, Pacific Northwest and Sandia—are combining forces with the National Center for Atmospheric Research, four academic institutions and one private-sector company in a 10-year project to use high performance computing (HPC) to develop and to apply the most complete climate and Earth system model.
The project, called Accelerated Climate Modeling for Energy (ACME), is designed to accelerate the development and application of fully coupled, state-of-the-science Earth system models for scientific and energy applications. The plan is to exploit advanced software and new high performance computing machines as they become available. The initial focus will be on three climate change science drivers and corresponding questions to be answered during the project’s initial phase:
Water Cycle: How do the hydrological cycle and water resources interact with the climate system on local to global scales? How will more realistic portrayals of features important to the water cycle (resolution, clouds, aerosols, snowpack, river routing, land use) affect river flow and associated freshwater supplies at the watershed scale?
To address the water cycle, the project plan hypothesized that: 1) changes in river flow over the last 40 years have been dominated primarily by land management, water management and climate change associated with aerosol forcing; 2) during the next 40 years, greenhouse gas (GHG) emissions in a business as usual scenario may drive changes to river flow.
A goal of ACME is to simulate the changes in the hydrological cycle, with a specific focus on precipitation and surface water in orographically (associated with or induced by the presence of mountains) complex regions such as the western United States and the headwaters of the Amazon.
Biogeochemistry: How do biogeochemical cycles interact with global climate change? How do carbon, nitrogen and phosphorus cycles regulate climate system feedbacks, and how sensitive are these feedbacks to model structural uncertainty?
To address biogeochemistry, ACME researchers will examine how more complete treatments of nutrient cycles affect carbon-climate system feedbacks, with a focus on tropical systems, and investigate the influence of alternative model structures for below-ground reaction networks on global-scale biogeochemistry-climate feedbacks.
Cryosphere Systems: How do rapid changes in cryospheric systems, or areas of the earth where water exists as ice or snow, interact with the climate system? Could a dynamical instability in the Antarctic Ice Sheet be triggered within the next 40 years?
For cryosphere, the team will examine the near-term risks of initiating the dynamic instability and onset of the collapse of the Antarctic Ice Sheet due to rapid melting by warming waters adjacent to the ice sheet grounding lines.
The experiment would be the first fully-coupled global simulation to include dynamic ice shelf-ocean interactions for addressing the potential instability associated with grounding line dynamics in marine ice sheets around Antarctica.
ACME is the only major national modeling project designed to address US Department of Energy (DOE) mission needs and efficiently utilize DOE Leadership Computing resources now and in the future.
Over a planned 10-year span, the project aim is to conduct simulations and modeling on the most sophisticated HPC machines as they become available, i.e., 100-plus petaflop machines and eventually exascale supercomputers. The team initially will use US Department of Energy (DOE) Office of Science Leadership Computing Facilities at Oak Ridge and Argonne national laboratories.
The grand challenge simulations are not yet possible with current model and computing capabilities, but we developed a set of achievable experiments that make major advances toward answering the grand challenge questions using a modeling system, which we can construct to run on leading computing architectures over the next three years.
—David Bader, LLNL atmospheric scientist and chair of the ACME council
ACME intends to achieve its goal through four intersecting project elements:
A series of prediction and simulation experiments addressing scientific questions and mission needs. ACME envisions simulation campaigns of three to four years each with successive versions of the modeling system. Every campaign will inform the next, and the partners envision four to five campaigns with successive versions of the modeling system leading to the grand challenge simulations in approximately 10 years.
A well-documented and tested, continuously advancing, evolving, and improving system of model codes that comprise the ACME Earth system model. The core of the ACME project is model development. The ACME model development path currently envisions five development cycles for its modeling system over the next 10 years, although only three will be both started and completed over the time span.
The ability to use effectively leading (and “bleeding”) edge computational facilities soon after their deployment at DOE national laboratories. The project envisions that versions v2 and beyond will include elements of the co-design process developed by DOE. Co-design refers to a computer system design process where scientific problem requirements influence architecture design and technology constraints inform formulation and design of algorithms and software. While the ACME project is not a co-design center, it aims to have an impact on the facility roadmap through a close partnership with LCF scientists and engineers.
An infrastructure to support code development, hypothesis testing, simulation execution, and analysis of results.
Initial funding for the effort has been provided by DOE’s Office of Science.
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