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Modelli fisico-matematici per l’atmosfera
L’evoluzione dell’atmosfera è descritta da leggi fisiche della meccanica e della termodinamica, note ormai da decenni. Purtroppo, a causa della complessità medesima dei fenomeni atmosferici, sono leggi molto complesse, ed espresse pertanto da equazioni di difficile risoluzione. L’insieme dei metodi e delle approssimazioni, fisiche e matematiche, impiegate per risolvere tali equazioni, costituisce il modello fisico-matematico.
Descrizione del cluster di calcolo
La modellizzazione dei sistemi fisici ed in particolare dell'atmosfera, ha accresciuto di molto il proprio livello di sofisticazione negli ultimi 15 anni. Questo, nel contempo, ha accresciuto enormemente le esigenze computazionali. Parte di tali esigenze sono a carattere operativo e richiedono una risoluzione dei problemi in tempi assai brevi. La moderna scienza delle previsioni del tempo richiede che i sistemi di calcolo producano le simulazioni in tempi molto brevi (poche ore) per una previsione tra 72 e 168 ore. Le applicazioni del CEM prevedono elaborazioni operative dalla scala globale a quella locale ed una serie di modellizzazioni mirate a specifiche esigenze. Solo grazie ad un sistema in grado di supportare una potenza di calcolo adeguata, è possibile rendere disponibili tutti i prodotti in tempo utile per le attività operative. Attualmente il sistema di calcolo del CEM è in grado di fornire una potenza di 1 teraflop. Il core del cluster consiste di 40 calcolatori ognuno con 2 processori simmetrici AMD Opteron con frequenza di 1.6 Ghz, e 2048 Mb di RAM. Le macchine sono connesse tra di loro da una fast ethernet che provvede una larghezza di banda di 1 Gigabit/s. Il cluster è monitorato da un server e ogni macchina dispone dei software necessari, soprattutto i compilatori fortran. Il cluster usa Linux come sistema operativo e un sistema di comunicazione proprietario. Il sistema è predisposto per il calcolo a multiprocessore e diverse simulazioni modellistiche sia operative che di ricerca sono quotidianamente eseguite con il calcolo distribuito su diverse macchine, grazie all'interfaccia MPI. Oltre al cluster principale, per diverse applicazioni, specie nell'ambito della ricerca, viene utilizzato il vecchio cluster di calcolo costituito da 15 workstation alpha XP1000 e 5 DS10 alpha, oltre a un numero variabile di macchine Pentium III e IV e Athlon XP. Gli XP1000 sono equipaggiati tutti con un doppio HD Ultra Wide SCSI e 512 Mb di RAM, mentre i PC hanno varie configurazioni.
Descrizione delle prospettive di avanzamento
Le scale spaziali e temporali delle simulazioni vanno da quella globale a qualche km e da alcuni minuti a 10 giorni. In ogni caso, il maggior sforzo computazionale è dettato dalle scale spaziotemporali più piccole. La complessità dei sistemi e la quantità enorme di calcoli necessari alla risoluzione di problemi è stata spesso affrontata con sistemi di calcolo tipo quelli vettoriali a memoria condivisa, più spesso definiti supercomputer, quali, ad esempio, il Cray C90. I supercomputer sono macchine molto costose (milioni di euro) e richiedono una serie di requisiti sia per le caratteristiche dei luoghi ove vanno installate (ambienti controllati, assenza di pulviscolo, raffreddamenti molto spinti ecc), sia per la cura necessaria (manutenzione). Inoltre, un eventuale problema al supercomputer provoca un arresto del sistema di calcolo a meno di non disporre di un sistema alternativo (probabilmente di pari costo).
L'alternativa all'uso di tali sistemi è costituita dal cluster di workstation connesse da una rete ad alta velocità. La crescita della velocità dei processori e dell'efficienza dei sistemi ha permesso a queste macchine di raggiungere e superare le performace dei mainframe, costruendo dei sistemi con prestazioni pari a quelle di un supercomputer al costo di qualche decina di migliaia di euro. Con il vantaggio che il sistema può sopportare il failure di uno dei componenti (il resto delle macchine continua a funzionare), la possibilità di aggiungere nuove macchine estendendo il sistema, un più semplice aggiornamento e la possibilità di usufruire di componenti largamenti presenti sul mercato e a costi sempre più bassi.
Per sfruttare i vantaggi offerti da un cluster di computer, gli algoritmi debbono essere modificati in modo da distribuire il calcolo tra tutte le macchine, così che ciascuna effettui una parte del calcolo complessivo. Le macchine comunicano tra di loro scambiandosi messaggi che viaggiano attraverso la rete. Il sistema deve essere costruito in modo tale da minimizzare la quantità di messaggi che corrono sulla rete, per non rendere inefficiente il sistema e rendere lento il calcolo. Un aspetto importante di questo sistema è che non può essere usato su una macchina con un solo processore.
Visti i limiti di questo sistema, piuttosto che distribuire elementi di calcolo è più utile distribuire grandi vettori di dati tra i processori, con un singolo elemento di controllo. Concettualmente, il programma è eseguito su tutti i processori simultaneamente. Poiché ogni processore accede solo ad una porzione dei dati, ci sono dei momenti nei quali un processore ha bisogno di accedere ai dati memorizzati in un altro processore. Il sistema con cui ciò è gestito è determinato generalmente dal compilatore ed è implicito nel programma. Il vantaggio di questo sistema è che il codice può essere eseguito anche in un sistema con un solo processore, oltre che su sistemi multi processori o cluster di workstation.

Alessandro Perotto - meteo.it