近日，南海海洋所儀器中心聯(lián)合山東科技大學，成功研發(fā)出基于OpenACC的GPU加速并行POM（Princeton Ocean Model）模式，相關研究成果以“Parallel Princeton Ocean Model based on OpenACC”為題，發(fā)表在國際知名期刊Environmental Modelling & Software上，該項技術為高精度海洋數(shù)值模擬與實時預報提供了新一代高效能計算解決方案，南海海洋所高級工程師周巍為論文通訊作者，山東科技大學碩士研究所生王意寧為論文第一作者，研究團隊還包括山東科技大學副教授李秉天等科研骨干。
隨著海洋建模對空間分辨率與物理過程復雜度的雙重需求不斷提升，傳統(tǒng)串行POM的計算效率已難以滿足實際應用需求。研究團隊通過并行計算區(qū)域選擇、數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化和計算模式調整等多維度優(yōu)化策略，對經典POM代碼實施系統(tǒng)性重構。實測數(shù)據(jù)顯示，該并行版本在不同時空尺度的模擬實驗中均實現(xiàn)45倍加速比，較傳統(tǒng)并行方法展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。值得關注的是，研究進一步揭示了GPU加速性能的關鍵制約因素——通過引入Nsight Systems性能分析工具，團隊發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)存在顯著瓶頸，進而針對性優(yōu)化了CPU-GPU間的數(shù)據(jù)傳輸策略，成功將冗余數(shù)據(jù)拷貝降低37.2%。此外，研究對比論證了OpenACC相較于其他并行方案的技術特性，其獨特的指令制導并行模式在保證代碼可維護性與跨平臺移植性的同時，大幅降低了并行化改造成本，使得非專業(yè)開發(fā)人員也能快速構建高效并行計算環(huán)境。
圖1 本研究相較于原始POM代碼的優(yōu)勢
圖2 不同分辨率下串行和并行實現(xiàn)的運行時間
研究團隊下一階段將重點推進三方面工作：深化POM代碼架構優(yōu)化，構建多GPU協(xié)同計算架構；拓展該并行系統(tǒng)在強非線性海洋過程的模擬應用；開展跨平臺硬件適配測試，全面評估OpenACC方案的擴展性與普適性。
該研究獲得中國科學院儀器設備功能開發(fā)技術創(chuàng)新項目、熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室自主研究項目以及國家自然科學基金的聯(lián)合資助，關鍵技術驗證依托南海海洋研究所超算平臺完成。
論文信息:Wang,Y.,Li,B.,Zhou,W.,Ge,Y.,2025. Parallel Princeton Ocean Model based on OpenACC. Environ. Model. Softw. 106370.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2025.106370
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