Semi-implicit time-stepping schemes for atmosphere and ocean models require elliptic solvers that work efficiently on modern supercomputers. This paper reports our study of the potential computational savings when using mixed precision arithmetic in the elliptic solvers. The essential components of a representative elliptic solver are run at precision levels as low as half (16 bits), and accompanied with a detailed evaluation of the impact of reduced precision on the solver convergence and the solution quality. A detailed inquiry into reduced precision requires a model configuration that is meaningful but cheaper to run and easier to evaluate than full atmosphere/ocean models. This study is therefore conducted in the context of a novel semi-implicit shallow-water model on the sphere, purposely designed to mimic numerical intricacies of modern all-scale weather and climate (W&C) models with the numerical stability independent on celerity of all wave motions. The governing algorithm of the shallow-water model is based on the non-oscillatory MPDATA methods for geophysical flows, whereas the resulting elliptic problem employs a strongly preconditioned non-symmetric Krylov-subspace solver GCR, proven in advanced atmospheric applications. The classical longitude/latitude grid is deliberately chosen to retain the stiffness of global W&C models posed in thin spherical shells as well as to better understand the performance of reduced-precision arithmetic in the vicinity of grid singularities. Precision reduction is done on a software level, using an emulator. The reduced-precision experiments are conducted for established dynamical-core test-cases, like the Rossby-Haurwitz wave number 4 and a zonal orographic flow. The study shows that selected key components of the elliptic solver, most prominently the preconditioning, can be performed at the level of half precision.


翻译:用于大气和海洋模型的半精确时间跨度计划要求精密度降低需要在现代超级计算机上高效运行的椭圆解析器。 本文报告了我们对在椭圆解析器中使用混合精密计算法时潜在计算节约的研究。 具有代表性的椭圆解析器的基本部件运行的精确度低至一半( 16位), 并同时详细评估精确度降低对求解器趋同和溶液质量的影响。 对精确度下降的详细调查需要一种模型配置,该配置既有意义,但更便宜,比全大气/海洋模型更便于评估。 因此, 这项研究是在一个全新的半精确度半精确度模型中进行, 目的设计用来模拟现代所有规模天气和气候(W&C)模型的内分解, 数字稳定性取决于所有波流的加速度。 浅水模型的调节算法基于非逻辑性磁性磁性模型, 由此产生的精度问题使用一个非常强的不精确的直径直径直径直的直径直径直流模型, 运行的精度直径直径直径直径直径直径直径直径直径直径, 运行的软流和精度直径直径直径直径直径直径直径直径直的精确的轨道的轨道的轨道的轨道流流, 。

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