El cambio climático podría tener un impacto crítico en la República de Panamá, donde un importante segmento de la economía depende del funcionamiento del Canal de Panamá. Por ello, se han establecido nuevas estructuras para llevar a cabo investigaciones sobre este impacto. Una de ellas es la nueva infraestructura de clúster de GPU llamada Iberogun.
Situación de Panamá
La República de Panamá está situada en la cordillera más meridional de América Central, al norte de Ecuador. El país está rodeado por el Mar Caribe en el norte y por el Océano Pacífico en el sur, por lo que su clima está determinado principalmente por una atmósfera oceánica cálida y húmeda.
El Canal de Panamá es una de las instalaciones más importantes de Panamá. Los ingresos que generan los cargueros de contenedores a su paso por el mismo suponen alrededor del 40% del Producto Interior Bruto (PIB) del país.
La cantidad de agua del canal depende enormemente de las precipitaciones de su cuenca hidrográfica.
La UTP
La Universidad Tecnológica de Panamá es quien lleva a cabo el estudio y la implementación de este proyecto de la mano del Dr. Reinhardt Pinzón.
La UTP es líder nacional en investigación en el área de ingeniería, además de centro de referencia en innovación tecnológica.
Introducción al estudio de Iberogun
Utilizando el Modelo de Circulación General Atmosférica, del Instituto de Investigaciones Meteorológicas (MRI-AGCM3.2S), se han investigado tanto los futuros cambios climáticos de precipitación en Centroamérica como los cambios climatológicos estacionales en la cuenca alta del Río Chagres, la cual es, a su vez, una subcuenca en el lado oriental de la cuenca del Canal de Panamá.
La mayoría de los estudios se han llevado a cabo con el modelo MRI-AGCM3.2S, con simulaciones realizadas en las instalaciones del MRI en Tsukuba, Japón (una visualización de los resultados se representa en la siguiente imagen, que muestra la distribución geográfica en la precipitación de Panamá); pero la idea es que esta capacidad computacional pueda ser utilizada y replicada en suelo panameño desarrollando, de esta forma, un modelo local.
A continuación, se analizarán los principales métodos de implementación utilizados en los modelos meteorológicos y climáticos, así como de aceleración de la GPU en términos de optimización.
Métodos de aplicación
Lenguajes específicos de dominio
Los lenguajes específicos de dominio aplicados a los algoritmos Stencil han sido un método para abstraer la placa de paralelización y la disposición de la memoria para el código híbrido GPU/CPU.
> Fortrán híbrido
Fortran es un lenguaje de programación de alto nivel de propósito general, procedural e imperativo, que está especialmente adaptado al cálculo numérico y a la computación científica.
Uno de los métodos evaluados por la UTP es la implementación basada en Fortran híbrido; una transformación de fuente a fuente y una extensión del lenguaje. Esta herramienta presenta un método de división asistida para kernels de gran tamaño que permite la compatibilidad con la GPU en los procesos físicos dentro de los diferentes modelos climáticos sin necesidad de reescribirlos.
Directivas
Las directivas se utilizan para orientar a los compiladores sobre cómo optimizar o paralelizar el código ya existente para una arquitectura de hardware específica.
Optimización de la granularidad
La fusión de núcleos ha sido el principal enfoque de optimización de la granularidad aplicado a la programación de la GPU que conocemos.
Transformación de la disposición de la memoria
Aunque los DSL abstraen la disposición de la memoria, también requieren una reescritura completa del código de puntos, pero manteniendo las ganancias de portabilidad de rendimiento de un diseño de memoria abstraído.
Infraestructura Iberogun
Con el objetivo general de desarrollar una infraestructura sostenible para HPC en Panamá, la UTP ha montado una infraestructura de clúster de GPU llamada Iberogun. Basada en 2 servidores DGX 1 (con 16 NVIDIA Tesla P100 cada uno) tiene el objetivo de evaluar posibles modelos climáticos y eventos meteorológicos extremos.
Las tareas que se pretenden desarrollar a través de este proyecto son las siguientes:
- Desarrollar e implementar código CUDA para una arquitectura clúster de GPUs.
- Estudiar los aspectos atómicos en la formación de la topografía.
- Divulgación de los resultados obtenidos.
- Prospección de áreas interesantes en simulaciones numéricas en Panamá y Latinoamérica.
Iberogun tiene las siguientes características de salida:
- 170 tera FLOPS.
- GPU 128 GB.
- CPU Dual 20-Core Intel Xeon.
- NVIDIA CUDA® Cores.
- NVIDIA Tensor Cores (en sistemas basados en V100).
- Memoria del sistema 512 GB DDR4.
- 4X 1,92 TB SSD RAID 0.
Independientemente del método utilizado para las proyecciones meteorológicas, los beneficios de su aplicación pueden ser bien recibidos tanto en la comunidad investigadora como en la sociedad en general.
Los modelos que se ajustan a los parámetros del istmo de Panamá pueden ser beneficiosos para la predicción de los ciclos del agua para el área de la cuenca del canal, información muy importante desde las recientes políticas estrictas de uso del agua que se han propuesto y los fenómenos de salinización que se han reportado para la cuenca del canal de Panamá.
Además, los beneficios podrían extenderse a otras áreas de investigación y comercio, tales como: agricultura, generación de energía hidráulica, transporte, ecología y conservación.