密歇根大學(xué)研究人員使用Frontera超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)改進(jìn)空間天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，避免極端 空間天氣 事件的最壞影響。 上一次重大的空間天氣事件在1859年襲擊了地球，但是破壞度較小的空間天氣事件經(jīng)常發(fā)生。

這些事件會(huì)炸毀電子產(chǎn)品和電網(wǎng)，擾亂全球定位系統(tǒng)，導(dǎo)致北極光的范圍發(fā)生變化，并提高宇航員或穿越兩極飛機(jī)乘客的輻射風(fēng)險(xiǎn)。如果像1859年那樣的極端事件再次發(fā)生，它將完全摧毀電網(wǎng)、衛(wèi)星和通信系統(tǒng)。

在白宮國(guó)家空間天氣戰(zhàn)略和行動(dòng)計(jì)劃以及國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)算倡議的推動(dòng)下，2020年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和美國(guó)國(guó)家航空航天局創(chuàng)建了空間天氣與量化不確定性（SWQU）計(jì)劃。它匯集了來(lái)自各學(xué)科的研究團(tuán)隊(duì)，在空間天氣建模領(lǐng)域內(nèi)推進(jìn)最新的統(tǒng)計(jì)分析和高性能計(jì)算方法。

這個(gè)計(jì)劃是六個(gè)項(xiàng)目的組合，其中包括Gabor Toth的項(xiàng)目，不僅有領(lǐng)先的大學(xué)團(tuán)體參與，而且還有NASA中心、國(guó)防部和能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，以及私營(yíng)部門。Gabor Toth幫助開發(fā)了當(dāng)今卓越的空間天氣預(yù)測(cè)模型，該模型被美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）用于業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)。2021年2月3日，NOAA開始使用Geospace模型2.0版，這是密歇根大學(xué)空間天氣建?？蚣艿囊徊糠?，用于預(yù)測(cè)地磁干擾。

Geospace模型2.0版主要變化是細(xì)化了磁層的數(shù)值網(wǎng)格，對(duì)算法進(jìn)行了若干改進(jìn)，并對(duì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了重新校準(zhǔn)。Geospace模型是基于對(duì)地球空間環(huán)境的全球表述，其中包括磁流體動(dòng)力學(xué)，像等離子體這樣的導(dǎo)電流體與磁場(chǎng)相互作用的特性和行為，這在空間天氣的動(dòng)力學(xué)中起著關(guān)鍵作用。Geospace模型預(yù)測(cè)了地球空間與太陽(yáng)風(fēng)相互作用所產(chǎn)生的地面上磁擾動(dòng)。這樣的磁擾動(dòng)會(huì)誘發(fā)地電場(chǎng)，從而損害大規(guī)模的電導(dǎo)體，如電網(wǎng)。

該模型發(fā)出的短期預(yù)警為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商提供了關(guān)于有害電流的預(yù)報(bào)，并允許它們有時(shí)間來(lái)緩解問(wèn)題和維護(hù)電網(wǎng)的完整性。盡管Geospace模型很先進(jìn)，但它只提供了大約30分鐘的預(yù)先警告?，F(xiàn)在團(tuán)隊(duì)致力于將提前量增加到1至3天，這樣做意味著了解太陽(yáng)表面的活動(dòng)如何導(dǎo)致可能影響地球的事件。

改善空間天氣預(yù)報(bào)的提前量需要新的方法和算法，這些方法和算法的計(jì)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)今天使用的方法和算法，并且可以在高性能計(jì)算機(jī)上有效部署。Gabor Toth使用德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心的Frontera超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)開發(fā)和測(cè)試這些新方法。其中，一個(gè)關(guān)鍵的算法改進(jìn)涉及在一個(gè)模擬模型中結(jié)合等離子體的動(dòng)力學(xué)和流體細(xì)節(jié)，研究者通過(guò)發(fā)明智能近似值和算法，比粗暴的模擬快了一百萬(wàn)倍，這可以使Geospace模型預(yù)測(cè)速度加快10到100倍。

Gabor Toth團(tuán)隊(duì)一直在努力使空間天氣建?？蚣茉谖磥?lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)上高效運(yùn)行，這些超級(jí)計(jì)算機(jī)嚴(yán)重依賴圖形處理單元（GPU）。作為第一個(gè)目標(biāo)，他們著手使用帶有OpenACC指令的英偉達(dá)Fortran編譯器將Geospace模型移植到GPU。他們最近設(shè)法在單個(gè)GPU上以更快的速度運(yùn)行整個(gè)Geospace模型。他們使用支持GPU的Longhorn機(jī)器來(lái)達(dá)到這一里程碑。在傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)上以同樣的速度運(yùn)行該模型需要至少100個(gè)CPU核心。