水文地質学および水文工学ジャーナル

並列分散水文モデルシミュレーションの効率におけるドメイン分割の役割の調査

ムケシュ・クマールとクリストファー・J・ダフィー

並列分散水文モデルシミュレーションの効率におけるドメイン分割の役割の調査

流域や河川流域の空間的に分散した水文モデルは、流体力学、複雑な強制力、および不均一なパラメータ場が組み合わさった性質のため、データと計算を大量に消費します。これらのモデルを細かい時間的および空間的解像度で、また大規模な問題領域に適用することは、マルチプロセッサ クラスタでの並列計算によって容易になります。特に、並列シミュレーションの計算効率は、マルチプロセッサ環境でのデータの分割と分散の効率と、プロセッサ間での情報の共有方法によって決定的に決まります。多数のデータ分割アルゴリズムが存在し、コンピュータ サイエンスの文献で広範に研究されてきましたが、水文モデル構造がデータ分割に果たす役割の詳細な説明はまだ提示されていません。さらに、計算負荷分散とプロセッサ間通信が水文モデルの並列計算効率に果たす相対的な役割もわかっていません。PIHM水文モデルで使用される非構造化領域離散化スキームを例として検討し、この論文ではまず、最適な領域分割アルゴリズムに水文学的要因を組み込むための一般的な方法論を提示します。次に、パーティションを使用して、計算負荷バランスとプロセッサ間通信が並列効率に及ぼす独立した役割を調査します。結果から、プロセッサ間通信を最小限に抑え、計算負荷を均等に分割するパーティションでの並列シミュレーションが最も効率的であることが確認されました。さらに重要なことは、プロセッサ間の負荷バランスは、プロセッサ間通信の最小化よりも並列効率に敏感に影響を及ぼすことが観察されていることです。さまざまなパーティション構成の並列コードの効率とスケーラビリティをさらに分析すると、並列効率と、負荷バランス比や通信対計算比などの理論的な指標との間に直接的な対応関係があることが明らかになりました。結果は、計算集約型の並列シミュレーションを実行する前に、理論的な指標を使用して最適なパーティションを選択できることを示しています。この研究は、複数の解像度での並列分散水文学モデルの効率に対する計算と通信の影響の概念実証評価として役立ちます。