GPU 助攻氣象預報大突破：熱帶氣旋模擬提速 5 倍、耗能降 5 倍
美國國家超級電腦應用中心（NCSA）於 16 日宣布，來自美國海軍研究所（NPS）的研究團隊成功利用 NCSA 的 Delta 超級電腦，將一套原本以 CPU 執行的熱帶氣旋模擬模型，順利移植至 GPU 平台。實測結果顯示，在模擬熱帶氣旋的「快速增強」過程時，GPU 平台的運算速度與能源效率均達到了傳統 CPU 的 5 倍之多。
該研究由現任勞倫斯利佛摩國家實驗室（LLNL）的博士後研究員 Soonpil Kang 所主導。Kang 指出，他在 NPS 擔任博士後研究員期間，與應用數學系特聘教授 Frank Giraldo 攜手合作，透過 OpenACC 指令式程式設計模型，將非靜力大氣模式「xNUMA」成功轉移至 GPU 運行。
團隊的核心目標是利用 GPU 的強大效能，更有效率地模擬大型且逼真的熱帶氣旋，透過讓演算法直接在 GPU 上運作，大幅縮短運算的所需時間。
為了驗證模型的準確性，研究團隊與漢普頓大學（Hampton University）大氣科學家 Stephen Guimond 合作，利用其提供的飛機觀測資料，重建了 1997 年太平洋史上第九強的「吉列爾莫」（Guillermo）颶風。
團隊將真實的觀測數據輸入數學系統中，運用偏微分方程式與 Navier-Stokes 方程式進行數值重現，藉此嚴格檢驗虛擬環境中的氣旋發展是否能與真實歷史事件一致。
這項研究特別聚焦於熱帶氣旋演變中最危險、也最難預測的階段，也就是「快速增強」（Rapid Intensification）。Kang 表示，團隊不僅精準模擬出快速增強的發展過程，整體的計算成本也顯著降低。
根據團隊的測試數據顯示，在 NCSA 的 Delta 系統上，僅需使用 4 顆 NVIDIA A100 GPU，其效能就能匹敵 128 顆 CPU。與純 CPU 版本相比，GPU 版本的模擬時間快了約 5 倍，耗能也減少了約 5 倍，充分凸顯了 GPU 在氣象預報領域上的巨大優勢。
此項研究成果獲得了美國國家科學基金會（NSF）ACCESS 計畫的資源挹注，團隊在開發過程中也曾與 NVIDIA 的軟體工程師密切合作，確保模型能在 GPU 環境下順利發揮效能。
目前，相關的突破性研究已正式發表於《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》，而團隊針對 GPU 新版本所撰寫的研究論文，也已刊登於《International Journal of High-Performance Computing Applications》。Kang 期望，這項成功的案例能為全球其他氣象研究機構提供強而有力的可行性證明，進一步加速 GPU 運算技術在數值天氣預報中的普及與應用。
（首圖為模擬進行至第 6 小時的熱帶氣旋，圖中清晰可見颱風眼與螺旋雨帶中的氣流漩渦，來源：NCSA）