[發(fā)明專利]一種數(shù)值應(yīng)用程序的軟件模塊集成系統(tǒng)及運行方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010037868.4
• 申請日: 2020-01-14
• 公開（公告）號: CN111258674B
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉利
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G06F9/445
• 分類號: G06F9/445;G06F8/41;G06F16/25
• 代理公司: 北京聿宏知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11372
• 代理人: 吳大建;張杰

本發(fā)明提供一種數(shù)值應(yīng)用程序的軟件模塊集成系統(tǒng)及運行方法，該系統(tǒng)包括：外部過程資源管理模塊，用于外部過程的程序到動態(tài)鏈接庫的編譯；外部過程運行驅(qū)動管理模塊，用于使數(shù)值應(yīng)用程序能調(diào)用外部過程；外部過程參數(shù)信息管理模塊，用于使外部過程能獲取數(shù)值應(yīng)用程序的信息；外部過程線程級并行管理模塊，用于將多個外部過程組合為具有程序流程的外部過程包，并實現(xiàn)不同外部過程間的線程級并行；外部過程數(shù)據(jù)交換管理模塊，用于數(shù)值應(yīng)用程序與外部過程間數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出的操作；外部過程集成應(yīng)用程序接口模塊；外部過程集成配置文件接口模塊。通過建立具有不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的外部過程的統(tǒng)一集成框架，實現(xiàn)不同外部過程間的線程級并行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及軟件模塊集成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)值應(yīng)用程序的軟件模塊集成系統(tǒng)及運行方法。

背景技術(shù)

地球系統(tǒng)模式是氣候演變規(guī)律研究、未來氣候預(yù)測和無縫隙數(shù)值預(yù)報等所不可或缺的數(shù)值應(yīng)用程序，由分別模擬大氣、陸面、海洋和海冰等地球系統(tǒng)圈層的分量模式構(gòu)成。經(jīng)過近幾十年的努力，地球系統(tǒng)模式得到了不斷進步，其程序量已突破了百萬行，這使得地球系統(tǒng)模式的發(fā)展，不僅涉及到如何理解與求解各圈層內(nèi)部及圈層之間的各種機理與機制等科學(xué)問題，還涉及到如何進行程序開發(fā)、軟件測試與軟件模塊集成的技術(shù)與工程問題。位于地球系統(tǒng)模式架構(gòu)中心位置的耦合器，是支撐地球系統(tǒng)模式軟件模塊化集成的一個關(guān)鍵基礎(chǔ)平臺，其連接著多個分量模式以構(gòu)成地球系統(tǒng)模式，在科學(xué)上通過分量模式間的通量交換來實現(xiàn)圈層間的相互作用，在技術(shù)上實現(xiàn)各分量模式之間的鏈接，協(xié)調(diào)各分量模式的并行計算，并控制著整個地球系統(tǒng)模式的積分。已有耦合器主要包括法國的OASIS，美國的MCT、FMS、ESMF、CPL，中國的C-Coupler。

耦合器主要負責分量模式到耦合模式的模塊化集成。隨著科學(xué)與技術(shù)的快速發(fā)展，人類所關(guān)注甚至已厘清的機理與機制越來越多，各分量模式的程序也變得更加復(fù)雜，例如有些大氣模式內(nèi)物理過程的代碼量已突破了50萬行，這使得需要進一步考慮如何實現(xiàn)一個分量模式內(nèi)的模塊化集成。

大氣模式(包含數(shù)值天氣預(yù)報模式)主要由動力框架與物理過程組成，其中動力框架負責求解整個三維大氣的動力方程，而物理過程則由一系列通常僅在垂直方向上進行求解的參數(shù)化方案組成。為了便捷集成物理參數(shù)化方案，通常需要為物理過程設(shè)計統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以存儲各物理量，例如常規(guī)的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或優(yōu)先考慮垂直方向的單柱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如圖1所示，左側(cè)為三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，右側(cè)為單柱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以相互轉(zhuǎn)換)。對于一個三維物理量，當采用三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，一個MPI進程通常只為其分配一個三維數(shù)組，而當采用單柱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，一個MPI進程會為其分配多個獨立的數(shù)組，每個數(shù)組存儲一個或多個單柱。當前，WRF(The Weather Research and Forecasting Model，天氣預(yù)報模式)與GRAPES等大氣模式的物理過程采用了三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而CAM(Community AtmosphereModel Version)等大氣模式的物理過程采用了單柱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。與三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相比，單柱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能加快處理器對存儲于內(nèi)存中的物理量的訪問，并能更好地解決物理過程的OpenMP加速與單柱間計算負載不平衡問題，從而提高物理過程的計算效率。在向物理過程中集成參數(shù)化方案時，需要確保兩者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一致性，當存在不同時，通常需要對參數(shù)化方案進行修改。例如，當把基于單柱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)展的參數(shù)化方案集成進采用三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的物理過程時，首先需要將參數(shù)化方案程序所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從單柱方式修改為三維方式。

隨著物理過程中集成的參數(shù)化方案越來越多，特別是集成了同一功能的不同參數(shù)化方案以供用戶選擇使用(例如WRF模式，The Weather Research and ForecastingModel，即天氣預(yù)報模式)提供了多個對流參數(shù)化方案以供選擇使用與性能對比等)，需要面向物理過程實現(xiàn)參數(shù)化方案的模塊化集成與便捷選擇。為了實現(xiàn)這兩項功能，美國的DTC與NCAR聯(lián)合研制了CCPP(即通用公共物理包)框架。CCPP框架基于統(tǒng)一的單柱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立了參數(shù)化方案驅(qū)動程序的統(tǒng)一規(guī)范，管理了物理過程的公共變量，建立了參數(shù)化方案間基于共享公共變量的參數(shù)傳遞方式，采用了動態(tài)鏈接庫技術(shù)來集成參數(shù)化方案，并設(shè)計了能便捷選擇使用參數(shù)化方案配置文件接口。