準(zhǔn)確的天氣模型對(duì)于企業(yè)正確預(yù)測(cè)可再生能源的生產(chǎn)和制定自然災(zāi)害預(yù)案至關(guān)重要。僅 2022 年，無(wú)效和無(wú)法預(yù)測(cè)的天氣就造成了約 7140 億 美元的損失。為了避免這種情況，企業(yè)需要更快、更便宜、更精準(zhǔn)的天氣模型。

在 GTC23上，微軟和 TempoQuest 詳細(xì)介紹了他們?nèi)绾闻c NVIDIA 合作一起解決這個(gè)能源和氣候問(wèn)題。NVIDIA 初創(chuàng)加速計(jì)劃成員 TempoQuest 實(shí)現(xiàn)了超本地、低延遲的天氣和環(huán)境預(yù)測(cè)。該多學(xué)科合作團(tuán)隊(duì)涵蓋大氣科學(xué)、氣象學(xué)、高性能計(jì)算（HPC）AI、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、工程等領(lǐng)域，是將 GPU 引入環(huán)境領(lǐng)域的先鋒，包括：

• 第一個(gè)將 WRF 移植到 GPU 上

• 第一個(gè)以比基于 CPU 的預(yù)測(cè)更快、更便宜的方式創(chuàng)建更高分辨率的預(yù)測(cè)

• 第一個(gè)開(kāi)發(fā)出 GPU 軟件即服務(wù)的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)

本文中將介紹 TempoQuest 如何利用微軟 Azure 上的 NVIDIA 加速計(jì)算，將傳統(tǒng)的天氣研究和預(yù)報(bào)（WRF）軟件移植到 GPU 上、提供高于 1 公里的分辨率以及 1 分鐘至 1 小時(shí)的時(shí)間分辨率并加快對(duì)可再生風(fēng)能和太陽(yáng)能資源發(fā)電的預(yù)測(cè)。

公用事業(yè)單位在整合可再生能源過(guò)程中所面臨的挑戰(zhàn)

公用事業(yè)單位在他們的電網(wǎng)中使用可再生能源（主要是風(fēng)能和太陽(yáng)能）是具有挑戰(zhàn)性的。這些能源因環(huán)境因素而異，比如云層覆蓋和風(fēng)速等。如果可再生能源的發(fā)電量不足以滿(mǎn)足需求，公用事業(yè)單位必須使用“旋轉(zhuǎn)備用”，即由發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的碳基電力來(lái)彌補(bǔ)缺口。為了更好地預(yù)測(cè)可再生能源發(fā)電，需要快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的天氣預(yù)報(bào)。

圖 1 標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施示意圖，包括發(fā)電、輸電和配電

能源行業(yè)需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)關(guān)鍵功能：發(fā)電、輸電和配電。發(fā)電目前主要使用碳基燃料，但正在向包括風(fēng)能和太陽(yáng)能在內(nèi)的可再生能源過(guò)渡，以實(shí)現(xiàn)凈零排放。輸電指的是產(chǎn)生的電力通過(guò)升壓變壓器后經(jīng)高壓線傳輸。在遙遠(yuǎn)的電網(wǎng)邊緣，電力經(jīng)變壓器和變電站“降壓”后，輸送給家庭和企業(yè)的用電者（240 V / 120 V）。

如果要在電網(wǎng)中增加更多可再生能源，公用事業(yè)單位不僅要整合新的發(fā)電站，還要建造更多高壓輸電線路和塔架。這就給電網(wǎng)維護(hù)帶來(lái)了更高的復(fù)雜性和成本，包括投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。高分辨率的 GPU 加速 WRF 可以通過(guò)減少對(duì)碳基電力的依賴(lài)和優(yōu)化可再生能源的使用幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

使用 GPU 加速 WRF

AceCAST 代表“加速預(yù)測(cè)”，通過(guò)運(yùn)行一個(gè)名為“天氣研究和預(yù)報(bào)”（WRF）的區(qū)域模型可實(shí)現(xiàn)加速預(yù)測(cè)。目前，已有 160 個(gè)國(guó)家的 5 萬(wàn)名用戶(hù)使用該模型。通過(guò)將 WRF 移植到使用專(zhuān)有的 OpenACC 和 CUDA 帶有 NVIDIA GPU 的 x86 系統(tǒng)上運(yùn)行，并在多 GPU 和多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò)展。AceCAST 支持所有主要的 WRF 動(dòng)力學(xué)、物理學(xué)方案和名詞表選項(xiàng)，可直接取代現(xiàn)有的 WRF 配置。

AceCAST 的眾多優(yōu)點(diǎn)包括更快的求解時(shí)間、更高的分辨率和精度、對(duì)局部天氣現(xiàn)象更加深入的認(rèn)識(shí)以及更低的計(jì)算成本。

測(cè)試表明，在天氣預(yù)報(bào)和可再生能源預(yù)測(cè)方面，GPU 比 CPU 速度更快、分辨率更高且更具成本效益。這一加速解決方案對(duì)于減少碳排放、提升電網(wǎng)可靠性和管理以及降低用電者的用電成本十分重要。

AceCAST 驗(yàn)證和性能成本分析

為了驗(yàn)證基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果，首先要保證 CPU WRF 與 GPU WRF 的差異在可接受的范圍內(nèi)。團(tuán)隊(duì)在幾個(gè)時(shí)間和空間預(yù)測(cè)范圍內(nèi)測(cè)試了模型性能，最終驗(yàn)證了數(shù)千個(gè)測(cè)試案例，以確保 AceCAST 產(chǎn)生與 CPU WRF 相同的結(jié)果。在微軟 Azure 上運(yùn)行性能測(cè)試時(shí)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)兩者在性能和成本上都有很大的差異。

基于 CPU 的 WRF – Standard HB120rs_v3 VMs（HBv3）：

• 120 顆 AMD EPYC7V73X 系列（Milan-X）CPU 核

• 450 GB 內(nèi)存（ 350 GB/s 內(nèi)存帶寬）

• 200 Gb/s HDR InfiniBand

• 2 個(gè)1 TB NVMe 固態(tài)硬盤(pán)

• NCAR WRF 4.2.2

• 使用 Parallel net-CDF

• 使用英特爾編譯器和 MPI 進(jìn)行編譯

GPU 加速 WRF - Standard_ND96amsr_A100_v4（NDmv4）：

• 8 個(gè) NVIDIA A100 Tensor Core GPUs (80GB)

• NVLink 3.0（200 Gb/s HDR InfiniBand）

• 96 顆 AMD EPYC7V12 系列（Rome）CPU 核

• 8 個(gè) 1 TB NVMe 固態(tài)硬盤(pán)

• AceCAST 2.1

• 使用 OpenACC 和 CUDA 的專(zhuān)有實(shí)現(xiàn)

• 使用 MPI 在多節(jié)點(diǎn)和多 GPU 上進(jìn)行擴(kuò)展

Azure 代管式 Lustre 文件系統(tǒng)

• 40 TiB 存儲(chǔ)Azure 代管容量

• 10000 MB/s 最大吞吐量

圖 2 基于 CPU 的 WRF 與 TempoQuest AceCAST 的性能價(jià)格比較分析

結(jié)果顯示，與一個(gè)節(jié)點(diǎn)上基于 CPU 的 WRF 相比，一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的 GPU 加速 WRF（AceCAST）的速度加快了約 9 倍，而要實(shí)現(xiàn)與一個(gè) GPU 節(jié)點(diǎn)類(lèi)似的性能，需要 18 個(gè) CPU 節(jié)點(diǎn)。這些結(jié)果至關(guān)重要，因?yàn)楦臁⒏统杀镜奶鞖忸A(yù)報(bào)使公用事業(yè)單位能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)可再生能源發(fā)電、提供穩(wěn)定可靠的電力并避免過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的停電。

AceCAST 3.0.1 上的進(jìn)一步測(cè)試顯示其可繼續(xù)提升性能。團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)嵌套域，外域由 500 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)（430x331x38v）和 15 公里的網(wǎng)格間距組成，內(nèi)域由 8000 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)（1551x1361x38v）和 3 公里的網(wǎng)格間距組成。

圖 3 TempoQuest AceCAST 以最佳配置運(yùn)行一項(xiàng)作業(yè)的性能成本圖

結(jié)果顯示，AceCAST 在 1xNDmA100V4（8 個(gè) GPU）上的內(nèi)域計(jì)算和通信時(shí)間比 1xHBv3（64 個(gè)CPU）快 16.8 倍。單個(gè)作業(yè)的最佳配置是在 16 個(gè) HBv3（CPU）虛擬機(jī)上運(yùn)行 WRF，在 1 個(gè)包含 8 個(gè) GPU 的 NDmA100（GPU）虛擬機(jī)上運(yùn)行 AceCAST。在這種情況下，AceCAST 比基于 CPU 的 WRF 運(yùn)行速度快 7%，成本低 75%。

可再生發(fā)電功率預(yù)測(cè)

最后一步是將 AceCAST 應(yīng)用于可再生能源預(yù)測(cè)。美國(guó)的公用事業(yè)單位掌握著所有 7 萬(wàn)多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的規(guī)格以及每個(gè)風(fēng)能和太陽(yáng)能節(jié)點(diǎn)的位置。通過(guò)使用專(zhuān)有的天氣-電力算法，AceCAST 可提供更高的預(yù)測(cè)分辨率，每天對(duì)特定可再生能源發(fā)電站點(diǎn)作出小時(shí)級(jí)的精確功率預(yù)測(cè)（MW）。

電網(wǎng)脫碳化

隨著發(fā)電資產(chǎn)從集中化的碳基技術(shù)過(guò)渡到清潔的分布式能源資源，電網(wǎng)面臨著實(shí)時(shí)管理供需的挑戰(zhàn)。通過(guò)預(yù)測(cè)可再生資產(chǎn)的性能，電力公司能夠提高電網(wǎng)的可靠性和彈性。NVIDIA、微軟和 TempoQuest 正在聯(lián)手幫助解決這一重大的社會(huì)及全球挑戰(zhàn)。

憑借 AceCAST 這一 GPU 加速 WRF，TempoQuest 正在以更低的成本加速風(fēng)能和太陽(yáng)能可再生資源的發(fā)電功率預(yù)測(cè)。這有助于優(yōu)化負(fù)載和發(fā)電的平衡、減少公用事業(yè)單位的運(yùn)營(yíng)成本、管理可再生能源輸出的波動(dòng)并產(chǎn)生更加可靠的預(yù)測(cè)，進(jìn)而減少對(duì)碳基電力儲(chǔ)備的依賴(lài)。

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