氣象局目前使用的第五代超級電腦。(資料照片)

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中央氣象局

為改善我國氣象預報能力,中央氣象局今年將啟動下一代超級電腦建置,將分三年、三階段建置第六代超級電腦,最快明年初就會開始使用,未來三階段建置完成之後,總效能將達10PFlops,為現有超級電腦的7倍以上。第六代超級電腦之後,氣象局近期向行政院呈報的高速運算電腦未來規畫案,未來氣象超級電腦目標將朝150PFlops前進。

天氣預報準確度成為對抗全球極端氣候的重要手段

行政院長蘇貞昌近期在院會中聽取中央氣象局高速運算電腦規畫案時指出,全球極端氣候,致災性的寒流、洪水造成許多國家損失,精準天氣預報仰賴高速運算求得數值解,才能提升氣象預報的效能。行政院在2019年8月核定4年投入29億元於氣象資訊智慧應用計畫,加強氣象資訊與政府、產業、民眾生活的連結,去年再核定氣象資訊基礎建設計畫,以3年15億元經費,建置新一代高速運算電腦,讓未來氣象預報能夠定時定點定量,甚至朝更長的預報時效目標邁進。讓政府和民眾面對氣候變遷,能獲得即時又精確的氣象資訊,達到防災、減災的效果。

「氣象局致力強化數值天氣預報效能,是未來提升天氣、氣候預報、氣象服務技術的重要關鍵」,蘇貞昌表示,因此,氣象局應規畫提出長期、穩定、具競爭力的高速運算電腦計畫,由科技部、國發會、行政院主計總處協助外,也加強國際合作、與各部會的協助,強化氣象資訊在民生、防災的應用。

中央氣象局長鄭明典表示,氣象局採購高速運算電腦目的是,做好數值天氣預報。他以今年8月初盧碧颱風預報為例,若未進一步比較細節,預報降雨與實際降雨,兩者在分布型態與極端值幾乎相近。相較於過去,現代的電腦氣象預報更進步,各國的預報不斷更新,目前我國在運算能力上已有些落後,行政院去年已核定3年15億元建置新的高速運算電腦。

鄭明典指出,未來的天氣預報應用趨勢,預報的時間將會愈來愈長,特別是氣候變遷領域的應用,電腦運算的需求非常龐大,以今年初的乾旱為例,經常用到數個月的短期氣候預報,目前的展期天氣預報,提供10天的天氣預報,未來可望拉長至14天,以及鄉鎮天氣預報等等,這些都需要更快的電腦。過去依賴經驗,最多可預報三天氣象,而現在氣候變遷,以前所未發生的極端天氣,都需要仰賴高速電腦,需要長期、穩定、具競爭力投資。

今年8月慮碧颱風,左側為氣象預報降雨分布情形,和右邊實際降雨分布大致相近(資料來源:氣象局):

氣象局今年啟動第六代超級電腦建置

在導入電腦化作業之前,氣象預報是由人工將各地的氣象觀測資料填入氣象圖表,描繪氣象觀測圖,再以數學公式計算氣象預測結果,因資料量不足、人工容易錯誤,導致預報不夠準確。而後氣象局推動電腦化作業,在1983至1989年間開始建置第一代超級電腦,不斷汰換至今,已發展至第五代超級電腦,計算效能從最初的200MFlops,擴展至GFlops、TFlops,到突破PFlops。由於氣象觀測資料更為密集,加上超級電腦計算能力不斷提升,提高數值天氣預報解析度,目前已能提供全國368鄉鎮,未來48小時每3小時一次的天氣預報資訊。

目前,氣象局用於氣象預報的第五代超級電腦是在2012年,由富士通所打造,採用當時曾獲全球500大超級電腦第一的富士通超級電腦「京」商用技術建置,為減輕政府預算負擔,分三年三階段建置超級電腦,最終系統是由8櫃FX-10與7櫃的FX-100所組成,其中的FX-10的單櫃效能為20.385TFlops,效能比單櫃達217.8TFlops的FX-100來得低,FX-100使用32核心的SPARC64 XIfx處理器,7櫃FX-100合計達到1481.04TFlops,相當於1.46PFlops。 

由於氣象局每代的超級電腦使用周期約6到8年,超級電腦已面臨汰換階段,因此,氣象局今年以10億元對外招標建置第六代超級電腦,甫於10月初決標公告,仍由富士通得標,將以「京」超級電腦的下一代,去年至今仍位居全球500大超級電腦第一名的超級電腦「富岳」(Fugaku)技術,「富岳」為日本理化學研究所(RIKEN)與富士通合作打造的新一代超級電腦,「富岳」採用Arm架構的48核心的A64FX處理器,對是全球首個登上500大超級電腦第一名的Arm架構超級電腦。

富士通推出「富岳」的商用技術推出PRIMEHPC FX1000,並將用在氣象局的第六代超級電腦上。根據富士通官網的說明,FX1000採用與「富岳」相同的Arm架構2.2GHz時脈的AF64X處理器,單一機櫃最多可有384個節點,每個節點搭載一處理器,利用水冷技術散熱。

PRIMEHPC FX1000:

總效能達10PFlops,可望入500大超級電腦

如同先前的第五代超級電腦一樣,第六代也將分為三年、三期建置,第一期預計在今年底完成,明年初進行穩定測試,並且開始上線使用,預估第一期效能可達2PFlops,至於第二、三期預估再分別增加4 PFlops,2023年完成整個第六代超級電腦建置工作,最終的總效能將達到10PFlops,較第五代超級電腦提升7倍以上。

以今年6月公布的全球500大超級電腦排名來看,日本的富岳仍居第一名,總效能超過430PFlops,足足是第二名的美國Summit超級電腦近3倍,而臺灣的國網中心台灣杉3號則以超過2PFlops位居第227名。氣象局第六代超級電腦最快明年初完成第一期建置後,可望擠進全球500大超級電腦排名。

氣象局的第六代超級電腦將建置15個FX1000機櫃,此外,因應AI、HPC的運算趨勢,將由富士通建置數櫃採用Nvidia的GPU,但目前建置的櫃數尚未確定。因應GPU運算應用興起,氣象局計畫讓原本仰賴CPU運算的數值天氣預報,未來能多利用GPU加速運算,提升氣象預報能力。此外,也會開放與氣象局合作的相關學研單位運用第六代超級電腦的算力。現有的第五代超級電腦將會退役,並依照超級電腦輸出限制謹慎處理。

未來第六代超級電腦上線後,將提升數值氣象預報的解析度。以全球模式為例,將從現在的25公里解析度縮小至10公里;區域模式則從現在的3公里,進一步縮小至1公里。天氣預報解析度提升,有助於大範圍地區氣候發展或小區域的天氣預報準確性。

而在第六代超級電腦之後,氣象局已規畫再下一代的氣象超級電腦發展藍圖,預計未來從2024年起爭取10年50億元經費,將高整運算電腦計算能力由10PFlops再提高至150PFlops,將大幅強化氣象局對全球、區域、氣候、海象等數值天氣預報的時、空解析度,提高預報的準確度。


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