Однако города, расположенные вдоль разлома, такие как Лос-Анджелес и Сан-Франциско, не испытали крупных разрушительных землетрясений силой 7,5 и более баллов с момента их интенсивной урбанизации в начале двадцатого века. Зная, что сильные землетрясения на Сан-Андреас происходят с интервалом примерно в 150 лет, сейсмологи уверены, что следующее «большое» уже близко.Последнее мощное землетрясение силой 7,8 балла в Сан-Франциско произошло в 1906 году, унесло 700 жизней и нанесло ущерб на сумму 400 миллионов долларов. С тех пор исследователи собрали данные о более мелких землетрясениях по всей Калифорнии, но такие данные не дают чиновникам по чрезвычайным ситуациям и инженерам-строителям информацию, необходимую им для подготовки к землетрясению силой 7,5 и более баллов.
Имея это в виду, команда под руководством Томаса Джордана из Центра землетрясений Южной Калифорнии (SCEC) со штаб-квартирой в Университете Южной Калифорнии (USC) в Лос-Анджелесе использует суперкомпьютер Titan в Дубе Министерства энергетики США (DOE). Риджская национальная лаборатория (ORNL) для разработки моделирования землетрясений на основе физики для лучшего понимания систем землетрясений, включая потенциальные сейсмические опасности от известных разломов и влияние сильных колебаний грунта на городские районы.«Мы пытаемся решить проблему, и проблема заключается в прогнозировании сотрясения земли при сильных землетрясениях в определенных местах в определенный период времени», — сказал Джордан.Сотрясение земли зависит от типа землетрясения, способа прорыва разлома и того, как волны распространяются или распространяются по всем трехмерным структурам на Земле.
Ясно, что понять, что может произойти в определенной области, — непростая задача. Фактически, прогноз включает в себя обширный список сложных входных данных, которые невозможно было бы вычислить все вместе без помощи Titan, 27-петафлопсной машины Cray XK7 с гибридной архитектурой CPU-GPU. Titan находится под управлением Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), центра научных исследований Министерства энергетики США, расположенного в ORNL.
Работая на Titan, команда использует CyberShake от SCEC — физический вычислительный подход, который объединяет многие особенности землетрясения — для расчета вероятностной карты сейсмической опасности для Калифорнии. В мае команда Джордана завершила создание карты CyberShake с самым высоким разрешением для Южной Калифорнии, используя Титан OLCF.
Встряхивая егоОдной из наиболее важных переменных, которые влияют на повреждение зданий землетрясением, является частота сейсмических волн или частота, с которой волна землетрясения повторяется каждую секунду. С большей детализацией и увеличением моделируемой частоты — с 0,5 герц до 1 герц — последняя карта CyberShake является наиболее полезной на сегодняшний день и служит важным инструментом для инженеров, которые используют ее результаты для проектирования и строительства критически важной инфраструктуры и зданий. .Строительные конструкции по-разному реагируют на определенные частоты. Крупные конструкции, такие как небоскребы, мосты и путепроводы на автомагистралях, чувствительны к низкочастотным сотрясениям, тогда как более мелкие конструкции, такие как дома, с большей вероятностью будут повреждены высокочастотными сотрясениями, которые колеблются от 2 до 10 герц и выше.
Однако высокочастотное моделирование является более сложным в вычислительном отношении, что ограничивает имеющуюся у инженеров информацию для создания более безопасных конструкций, чувствительных к этим волнам. Команда Джордана пытается восполнить этот пробел.«Мы пытаемся перейти к более высоким частотам», — сказал Джордан.
Давайте приступим к физическомуПроцесс, которому следует команда Джордана, начинается с исторических землетрясений.«У сейсмологии есть это значительное преимущество, заключающееся в наличии хорошо записанных землетрясений, с которыми мы можем сравнивать наши модели», — сказал Филип Мехлинг, член команды и ученый-компьютерщик в USC. «Мы разрабатываем физические коды и трехмерные модели, а затем тестируем их, моделируя хорошо наблюдаемое историческое землетрясение.
Мы сравниваем смоделированные движения грунта, которые мы вычисляем, с тем, что было фактически зарегистрировано. Если они совпадают, мы можем сделать вывод, что моделирование ведется правильно ".
Затем группа имитирует сценарии землетрясений, отдельные землетрясения, которые не произошли, но вызывают беспокойство. Поскольку сейсмологи не могут получить достаточно информации из сценариев землетрясений для долгосрочных утверждений, они затем моделируют все возможные землетрясения, запуская ансамбли, набор моделей, которые немного отличаются друг от друга.
«Это одно и то же землетрясение с той же силой, но характеристики разрыва — например, где оно началось и как распространялось — изменят области на поверхности Земли, на которые влияет это сильное движение грунта», — сказал Махлинг.Однако по мере того, как команда увеличивала максимальную частоту моделирования исторических землетрясений, они определили порог примерно в 1 герц, при котором их модели расходились с данными наблюдений. Команда решила, что для получения более реалистичных результатов необходимо интегрировать в свой код более продвинутую физику.
«Одно из упрощений, которые мы используем в низкочастотном моделировании, — это плоская область моделирования», — сказал Мехлинг. «Мы предполагаем, что Земля похожа на прямоугольную коробку. Я не знаю, были ли вы в Калифорнии, но она не плоская. Здесь много холмов.
Такое упрощающее предположение хорошо работало на низких частотах, но для улучшения эти симуляции и их результаты, нам пришлось добавить новые сложности, такие как топография. Нам пришлось добавить горы в нашу симуляцию ».Включая топографию — шероховатость поверхности Земли — моделирование команды теперь включает дополнительные геометрические эффекты и эффекты затухания (постепенное ослабление сотрясений из-за потери энергии) — пластичность, близкую к разломам, частотно-зависимое затухание, мелкомасштабное близкое к потере энергии. неоднородности поверхности, приповерхностная нелинейность и дефектная шероховатость.
На Титане команда представила и протестировала новые физические вычисления индивидуально, чтобы изолировать их эффекты. К концу 2014 года команда обновила физику в своем коде, чтобы получить полную, реалистичную возможность моделирования, которая теперь может выполнять моделирование с использованием моделей Земли с частотой около 4 Гц.«Такой анализ, который мы проводим, проводился в прошлом, но при этом использовались полностью эмпирические методы — просмотр данных и попытки сопоставить наблюдения с новыми ситуациями», — сказал Джордан. «Мы занимаемся разработкой основанного на физике анализа сейсмической опасности, в котором мы получаем огромные преимущества за счет включения законов физики, чтобы предсказать, что будет в будущем. Это было невозможно без высокопроизводительных вычислений. укажите, где компьютеры могут выполнять эти вычисления с использованием физики и улучшать нашу способность проводить анализ, необходимый для создания безопасной среды для общества ».
Двигатели и шейкерыС новой физикой, включенной в код землетрясения SCEC — Распространение неупругих волн по Олсену, Дэю и Куи (AWP-ODC) — команда Джордана смогла запустить свою первую кривую опасности CyberShake на Титане для одного участка на частоте 1 Гц, установив вычислительная техника при подготовке к полноценной карте CyberShake.
Кривая сейсмической опасности показывает все вероятности того, что землетрясение произойдет в конкретном месте в течение заданного периода времени и с сотрясением земли, превышающим заданный порог.Команда использовала Единый прогноз землетрясений в Калифорнии Геологической службы США (USGS), в котором определены все возможные очаги землетрясений на конкретном участке, для построения кривых опасности CyberShake для 336 участков на юге Калифорнии.В мае этого года команда рассчитала кривые опасности для всех 336 участков, необходимых для составления первой карты сейсмической опасности города Лос-Анджелес с частотой 1 Гц.
С удвоенной максимальной моделируемой частотой по сравнению с прошлогодней картой 0,5 герц, эта карта оказывается вдвое точнее.Карта будет зарегистрирована в проекте карты городских сейсмических опасностей Геологической службы США (USGS), и после прохождения соответствующей научно-технической проверки ее результаты будут представлены для использования в обновленных до 2020 г. рекомендуемых сейсмических положениях Национальной программы уменьшения опасности землетрясений.Эта важная веха в анализе сейсмической опасности стала возможной только с помощью Titan и его графических процессоров.«Titan дает нам возможность отправлять задания одновременно на множество узлов с ускорением на GPU», — сказал Джордан. «Нет ничего сопоставимого.
Даже с другими системами GPU мы не можем выполнять наши задания через очередь GPU достаточно быстро, чтобы занять нашу исследовательскую группу. Titan — абсолютно лучший выбор для выполнения наших заданий GPU».
Ифэн Цуй, член команды и ученый в суперкомпьютерном центре Сан-Диего, модифицировал AWP-ODC, чтобы использовать преимущества гибридной архитектуры Titan, тем самым улучшив производительность и ускорение. За свою работу он был удостоен награды NVIDIA Global Impact Award 2015.
«Это фантастическая информатика», — сказал Джордан. «Что сделал Ифэн, так это вошел и действительно использовал структуру Титана надлежащим образом, чтобы ускорить выполнение очень сложных кодов. Мы должны манипулировать множеством переменных в каждой точке этих очень больших сеток, и есть много внутренних связь, необходимая для выполнения расчетов ".Используя код Cui с ускорением на GPU на Titan, команда запускала моделирование в 6,3 раза эффективнее, чем реализация только для ЦП, что сэкономило им 2 миллиона часов работы ядра для проекта.
Завершение проекта потребовало около 9,6 миллиона часов работы на Титане.«Вычислительное время, необходимое для высокочастотного моделирования, занимает много узловых часов», — сказал Махлинг. «Это может легко занять сотни тысяч узловых часов. Это огромный объем вычислений, который намного превышает то, что SCEC имеет в нашем университете. Для этого моделирования землетрясений с увеличением частоты требуются очень большие компьютеры, потому что моделирование требует больших вычислительных ресурсов.
Мы действительно не смог бы проводить эти высокочастотные симуляции без компьютера, подобного Титану ».С помощью Titan команда Джордана планирует увеличить максимальную имитируемую частоту выше 10 герц, чтобы лучше информировать инженеров и сотрудников службы спасения о потенциальных сейсмических событиях, включая неизбежное «большое».
«У нас есть потенциал, чтобы оказать положительное влияние и помочь снизить риски землетрясений», — сказал Мехлинг. «Мы можем помочь обществу лучше понять землетрясения и опасности, которые они представляют. У нас есть потенциал для широкого социального воздействия за счет более безопасной окружающей среды».