全球院模式组与中国科学院大气物理所、英特尔（中国）公司深入合作，继国际上首次实现全球大气污染模式在众核架构新型处理器的移植和计算优化后，在大气污染模式至关重要的气相化学机制CBM-Z模块研发中再度取得重要进展。相关研究成果近日以“MP CBM-Z V1.0: design for a new Carbon Bond Mechanism Z (CBM-Z) gas-phase chemical mechanism architecture for next-generation processors”为题发表在期刊Geoscientific Model Development（GMD），第一作者为硕士研究生王辉。GMD是欧洲地球物理学会(EGU)的旗舰期刊之一，主旨向学界介绍地学模式发展重要进展，在JCR分区表中为Q1期刊。这是全球院模式组在自2014年以来在GMD发表的第四篇模式论文，也是模式组所培养的第一位硕士生在硕士学习期间以第一作者身份发表的第三篇Q1区SCI期刊。
气相化学机制模式是当前大气污染模式数值模拟中最主要的计算瓶颈，往往占据模式一半以上计算耗时，全球院模式组及其合作者通过引入向量化计算技术，成功实现CBM-Z模块多点平行计算，促使CBM-Z模块在大气污染模式中计算耗时占比由原来的68%下降到30%，大大提升了大气污染模式整体计算效率，所测试的大气污染模式NAQPMS在英特尔至强Xeon Gold 6132处理器上获得了2.22的性能加速。这一成果将有助于节省大气污染模式模拟过程中的时间成本，提升模式预报时空精度和频次，及其在大气污染业务应用中的科学价值。
大气污染数值模式是当前我国大气污染治理体系中重要科学评估工具，有效支撑重污染天气应对及中长期大气污染治理效果评估等科学评估工作。NAQPMS、CMAQ、CAMx和WRF-Chem是国际上主流的大气污染模式，也是我国空气质量预报预警体系中广泛应用的数值模式，他们在气相化学机制方面采用了以CBM-Z、CB05为代表的碳键归纳机制，受限于复杂的化学反应计算，该模块往往占据大气污染模式主要计算资源。全球院模式组及其合作者通过对大气污染模式中的核心模块Carbon Bond Mechanism Z (CBM-Z) 气相化学机制进行代码优化，使其更加适应新一代处理器所支持的向量化计算技术，通过单指令流多数据流（Sing-Instruction Multiple-Data，SIMD）技术实现细粒度并行操作提高模式运算效率，并以此发布新一代气相化学机制模块MP CBM-Z。测试结果表明：1） MP CBM-Z适应英特尔众核架构的第二代协处理器KNL，相对于单个E5-2680V CPU核在单核KNL上获得了3.69加速；2）MP CBM-Z可是促使气相化学模块在E5-2680V4 平台以及Xeon Gold 6132平台分别获得3.32和4.90加速，耦合MP CBM-Z的大气污染模式NAQPMS在两代平台分别获得1.96与2.22倍加速。测试结果同时说明，MP CBM-Z在新一代CPU处理器中获得更有效的加速比，优化后气相化学模块MP CBM-Z使平台更新收益提高47%，大幅提升了硬件更新对于模式的提升，更好地利用硬件资源，节省硬件成本。
本研究工作受国家重点研发计划（2017YFC0209805、2016YFB0200800）、中科院先导项目（XXH13506-302）、国家自然科学基金（41305121）和中央高校基本科研业务共同资助。
采用原有CBM-Z和本研究研发的MP CBM-Z模块下的大气污染模式（NAQPMS）计算耗时及占比