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暴風解碼 技嘉運算叢集協助早稻田大學研究氣候變遷

by GIGABYTE
日本早稻田大學有「全球災害防治中心」的美譽。它用技嘉科技的GPU協同運算伺服器和工作站組成運算叢集,用來研究並防治海嘯、暴潮等天然災害。科學團隊致力於了解氣候變遷所造成的影響,明日的熱帶氣旋,恐怕將會變得越來越劇烈。
早稻田大學位於東京,是日本數一數二的頂尖研究型大學,日本大學排行榜中,早稻田大學總是名列前茅,傑出校友包含多家國際企業執行長、七位日本總理,還有著名作家村上春樹。

柴山研究室隸屬於早稻田大學創造理工學部社會環境工學科、亦隸屬於早稻田大學持續的未來社會研究所。由柴山知也博士帶領的研究團隊,專精於海岸工程與海岸防災,他們致力於沿岸居民的保護,希望能創造永續繁榮的海岸社區。柴山博士直言:「早稻田大學逐漸成為全世界的災害防治中心,專攻海嘯、暴潮這類型的天然災害。」

近年來,由氣候變遷而衍生的極端氣候事件變得更加頻繁。亞太區對暴雨、暴潮和熱帶氣旋並不陌生,但事件的嚴重性越來越劇烈。亞洲的一半人口(約二十四億人)居住在容易受到極端氣候影響的地區,每年有43,000人喪命於洪水、暴風雨、或土石流,所造成的損失大約為6,750億美元。※

柴山研究室欲了解氣候變遷如何影響海岸環境。研究團隊前往災害地點進行現場勘查、蒐集資料;回到研究室,他們用高端電腦和各項實驗來重現災難現況。演算出來的數值模型,可用於還原過去和模擬未來的風暴、估算海平面和海浪高度、規劃疏散計畫,等等。這些資訊有助於社區應付氣候變遷所造成的衝擊──不只是在亞太,而是在全世界。
加拿大和美國附近發生風暴時,過去和未來海浪狀態的模擬圖。科學家預測,早在本世紀中葉,北極海在夏季期間可能不會出現結冰。圖/柴山研究室提供
不過,用電腦模擬天災並不容易,必須將巨量的氣象數據倒入系統,才有辦法精準重現當時狀況。寶貴的研究結果,可用於挽救生命與財產,快速且精準的電腦運算,可能拯救海岸社區免於一場浩劫。

2020年中旬,柴山研究室採用技嘉科技的W291-Z00 AMD EPYC™ UP工作站和G221-Z30 GPU協同運算伺服器,建立新的運算叢集。科學團隊用叢集可以更快速、更精準地模擬海岸災害,產出高參考價值的觀測結果,用來規劃更有效的防災辦法,早稻田大學的防災能力因此提升到新的水平。

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技嘉伺服器幫助科學家實現快速精確的建模與分析
技嘉伺服器有效提升研究室的計算能力。柴山博士坦言:「有了技嘉提供的運算叢集,我們能更快了解氣候變遷如何影響颱風產生的暴潮,尤其在台灣、日本等亞太地區。」

當潛在破壞力強大的風暴系統出現時,研究員分析衛星蒐集的即時資料,評估暴風的路徑與強度。政府機關主要負責短期氣候預測,但也會洽詢專家,請他們提供意見。不過,如果運算太慢,等待分析結果的時間就會拉得很長。然而,降低模擬解析度以提高運算速度也不是辦法,因為可能產出的數據太粗略,失去了參考價值。通常要執行數十次模擬,才能拿到最高品質的模擬結果。

研究團隊和技嘉合作,組裝有四個節點的叢集。G221-Z30 GPU協同運算伺服器扮演控制節點;三台W291-Z00工作站扮演其他三個節點。這種快速又強大的運算叢集,研究室還是第一次看到。

運算密集的軟體工具,例如天氣或海洋的建模應用程式,透過新的叢集可以輕鬆執行,及時產出關鍵資訊。柴山研究室估計,等待模擬產出結果的時間減少了75%。透過平行運算,叢集能同時間進行不同的模擬,用於測試同一場天災的多種假想狀況,或是同時模擬許多不同場天災。《詞彙學習:什麼是平行運算?
波羅的海發生風暴時,過去和未來海浪狀態的模擬圖。研究發現,如果用IPCC氣候變遷第五次評估報告所提出的第五階段耦合模(CMIP5)來做模擬,極端的全球暖化將導致未來的風暴變得更加劇烈。圖/柴山研究室提供
模擬結果不但能更快到手,而且還更詳細。例如,以前的疏散模擬中,顯示器上一個亮點代表一百位居民,現在可以加強解析度,一個亮點代表一位居民。如此精密的模擬,確保防災工作面面俱到、保護到每一個人。

科學團隊非常肯定技嘉。他們提出三個理由,為什麼這套解決方案對他們的研究如此重要。
一、AMD EPYC™處理器和技嘉的專業諮詢服務
從一開始,柴山研究室就指名要搭配AMD EPYC™處理器的工作站。AMD EPYC™處理器是x86架構伺服器的全新選擇,具有出色的效能與安全性。一位研究人員描述採用技嘉伺服器的過程:「我們想用AMD處理器,因為核心數和執行緒數都超過原有的裝備,但我們不確定該用哪台伺服器。幸好,技嘉依照我們的需求,規劃最適當的解決方案。」
G221-Z30 GPU協同運算伺服器扮演叢集的控制節點。原因是效能強大,而且擁有充裕的儲存空間,無須使用外接硬碟。
技嘉發揮多年累積的專業知識與經驗,推薦工作站系列產品的W291-Z00,以及GPU協同運算伺服器系列產品的G221-Z30。兩者皆使用AMD EPYC™處理器,具有32顆CPU核心、8個記憶體通道、128 個執行緒數,高效能處理器滿足團隊短時間內想更快完成模擬的需求。G221-Z30擔任控制節點,因為效能強大,而且還有充裕的儲存空間,研究員能將重要文件保存在系統中,無須使用外接硬碟。

除此之外,解決方案提供高記憶體容量,可用於繪製精準的電腦模型。如此一來,模擬能以更高的解析度呈現更大範圍的地圖。資訊越多,研究室的觀察和預測就變得越精確。

「主要的挑戰,來自於如何建設滿足需求的叢集。許多起初設置階段碰到的難題,都透過技嘉的專業諮詢找到解決辦法。」柴山研究室一位愛沙尼亞籍研究員Martin Mäll博士說道。

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二、創新散熱設計,處理大量模擬也能保持「冷靜」
研究團隊很肯定技嘉領先業界的散熱技術,即使是處理大量資料,也能確保系統溫度不超標。尤其是在模擬的後期階段,計算的數據量變得非常繁重,如果導熱設計欠佳,可能導致系統啟動溫控調頻、降低運算效能。柴山研究室進行的科學工作太重要,不可以因為系統過熱而耽誤重大的研究突破。

G221-Z30和W291-Z00皆裝有動態風扇調節設定,可達成最佳散熱效果。風扇速度可依照系統溫度自動做調整,提供良好的功率效率和降溫。用戶也可依照自己的使用需求,建立或更改風扇速度最佳化的設定。

智慧電源管理有利於系統正常運作,SCMP (Smart Crises Management/ Protection)是技嘉的專利功能,當電源因過熱或風扇故障而發出錯誤警告,將自動讓處理器進入超低頻模式(ULFM)以防止伺服器關機。等到異常狀態解決了,系統將自動恢復正常運作。
W291-Z00 AMD EPYC™ UP工作站可擔任高效能商業伺服器或運算叢集的節點,內含SCMP和動態風扇調節設定等功能。
三、耐考驗的尖端科技和超高品質
技嘉提供的運算叢集,不只是讓現有的軟體充分發揮潛能,因為使用突破性技術,所以經得起時間的考驗,採用技嘉伺服器等於是確保珍貴的電腦資源能長期使用。

研究團隊正在探討如何應用電腦視覺和機器學習,具體來說,他們想透過神經網路技術的長短期記憶(LSTM)模型,來預測海上波浪的狀況。團隊有信心,叢集足以完成新的任務,比方說,W291-Z00所屬的技嘉工作站系列產品,就很適用於機器學習、軟體開發與繪圖。《詞彙學習:常聽別人說機器學習,你知道那是什麼嗎?

柴山研究室也對技嘉的聲譽和產品的品質給予高度的評價。他們知道,技嘉提供的是整套服務:包含創新的硬體解決方案、專業的諮詢建議、以及優質的服務與品質。客戶滿意是技嘉的使命。

柴山博士直言:「海岸防災,電腦模擬將是未來的主要工具。採用技嘉的伺服器對我們很有幫助。這是正確的一步,預測的準確度確實有大大提升。」

早稻田大學的科學團隊分享他們的願景:未來,人類將有辦法即時模擬天災,有助於緩解氣候變遷所造成的部分衝擊。技嘉樂於協助他們貢獻人類,世界不斷改變,但是有個定律不會變:智慧應用新發明,能解決我們面臨的問題,達到「創新科技,美化人生」的理想境界。

※資料來源:UNDP in Asia and the Pacific (https://www.asia-pacific.undp.org/)

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