В настоящее время междисциплинарная команда исследователей от Лоуренса Беркли (САМКИ) Министерства энергетики (Berkeley Lab) и Лоуренс Ливермор (LLNL) национальные лаборатории, а также Калифорнийский университет в Дэвисе строят самый первый непрерывный кодекс моделирования, чтобы точно захватить геологию и физику региональных землетрясений, и как дрожащие здания воздействий. Эта работа – часть Exascale Computing Project (ECP) САМКИ, который стремится максимизировать выгоду exascale – будущие суперкомпьютеры, которые будут в 50 раз быстрее, чем наша национальная самая сильная система сегодня – для американской экономической конкурентоспособности, национальной безопасности и научного открытия.«Из-за вычислительных ограничений, текущие моделирования геофизики на региональном уровне, как правило, решают колебания почвы на уровне 1-2 герц (колебания в секунду). В конечном счете мы хотели бы иметь оценки движения на заказе 5-10 герц точно захватить динамический ответ для широкого спектра инфраструктуры», говорит Дэвид Маккаллен, который прилагает ECP-поддержанные усилия под названием Высокая эффективность, Мультидисциплинарные Моделирования для Регионального уровня Сейсмическая Опасность и оценки степени риска.
Он – также ученый гостя в области наук о Земле и Наук об окружающей среде Berkeley Lab.Одна из самых важных переменных, которые затрагивают ущерб от землетрясения в здания, является сейсмической частотой волны или уровнем, по которому волна землетрясения повторяется каждую секунду. Здания и структуры по-другому отвечают на определенные частоты. Большие структуры как небоскребы, мосты и переходы шоссе чувствительны к низкочастотному сотрясению, тогда как меньшие структуры как дома, более вероятно, будут повреждены высокочастотным сотрясением, которое колеблется от 2 до 10 герц и выше.
Маккаллен отмечает, что моделирования высокочастотных землетрясений более в вычислительном отношении требовательны и потребуют exascale компьютеров.При подготовке к exascale Маккаллен работает с Гансом Йохансеном, исследователем в Computational Research Division (CRD) Berkeley Lab, и другими, чтобы обновить существующий кодекс SW4 – который моделирует сейсмическое распространение волны – чтобы использовать в своих интересах последние суперкомпьютеры, как Национальное энергетическое Исследование система Cori (NERSC) Научного Вычислительного центра. Эта manycore система содержит 68 ядер процессора за чип, почти 10 000 узлов и новых типов памяти.
NERSC – Офис САМКИ Науки национальное пользовательское средство, управляемое Berkeley Lab. Кодекс SW4 был разработан командой исследователей в LLNL, во главе с Андерсом Петерссоном, который также вовлечен в exascale усилие.
С недавними обновлениями SW4 сотрудничество успешно моделировало 6,5 землетрясений величиной на ошибке Хейворда Калифорнии на уровне 3 герц на суперкомпьютере NERSC Cori приблизительно за 12 часов с 2 048 узлами рыцарей Landing. Это сначала доброго моделирования также захватило воздействие этого наземного движения на зданиях в 100 квадратных километрах (км) радиус разрыва, а также 30-километровый метрополитен. С будущим exascale системы, исследователи надеются управлять той же самой моделью в 5-10-герцевой резолюции приблизительно через пять часов или меньше.«В конечном счете мы хотели бы добраться до намного большей области, более высокой резолюции частоты и ускорить наше время моделирования», говорит Маккаллен. «Мы знаем, что способ, которым ошибка разрывает, является важным фактором в определении, как здания реагируют на сотрясение, и потому что мы не знаем, как ошибка Хейворда разорвет или точная геология области залива, мы должны управлять многими моделированиями, чтобы исследовать различные сценарии.
Ускорение наших моделирований на exascale системах позволит нам делать это».Эта работа была издана в недавней проблеме Института Электрических и Инженеров-электроников (IEEE) Компьютеры Общества эпохи компьютеризации в Науке и Разработке.
Предсказание землетрясений: прошлое, настоящее и будущееИсторически, исследователи проявили эмпирический подход к оценке колебаний почвы и как дрожащие структуры усилий. Таким образом, чтобы предсказать, как землетрясение затронуло бы инфраструктуру в регионе Сан-Франциско, исследователи могли бы посмотреть на прошедшее событие, которое было о том же самом размере – это, возможно, даже произошло где-то в другом месте – и использует те наблюдения, чтобы предсказать колебание почвы в Сан-Франциско. Тогда они выбрали бы некоторые параметры из тех моделирований на основе эмпирического анализа и предположили бы, как могут быть затронуты различные здания.
«Не удивительно, что есть определенные случаи, где этот метод не работает так хорошо», говорит Маккаллен. «Каждое место отличается – геологическая косметика может измениться, ошибки могут быть ориентированы по-другому и так далее. Таким образом, наш подход должен применить геофизическое исследование к суперкомпьютерным моделированиям и точно смоделировать основную физику этих процессов».
Чтобы достигнуть этого, разрабатываемый инструмент проектной группой использует метод дискретизации, который делит Землю на миллиарды зон. Каждая зона характеризуется с рядом геологических свойств.
Затем моделирования вычисляют поверхностное движение для каждой зоны. С точным пониманием поверхностного движения в данной зоне исследователи также получают более точные оценки для того, как здание будет затронуто, дрожа.
Новые моделирования команды в NERSC разделили регион на 100 км x 100 км x 30 км на 60 миллиардов зон. Моделируя 30 км ниже места разрыва, команда может захватить, как геология поверхностного слоя затрагивает наземные движения и здания.
В конечном счете исследователи хотели бы настроить свои модели, чтобы сделать оценки опасности. Поскольку Pacific Gas & Electric (PG&E) начинает осуществлять очень плотное множество акселерометров в их SmartMeters – система датчиков, которая собирает данные об использовании электрического и природного газа из домов и компаний, чтобы помочь клиенту понять и уменьшить их использование энергии – Маккаллен работает с коммунальным предприятием о потенциальном использовании тех данных, чтобы получить более точное понимание того, как земля на самом деле перемещается в различные геологические регионы.«Залив Сан-Франциско – чрезвычайно опасная зона с сейсмической точки зрения, и ошибка Хейворда – вероятно, одна из наиболее потенциально опасных ошибок в стране», говорит Маккаллен. «Мы приняли решение смоделировать эту область, потому что есть большая информация о геологии здесь, таким образом, наши модели обоснованно хорошо ограничены реальными данными. И, если мы можем точно измерить риск и опасности в области залива, он окажет большое влияние».
Он отмечает, что текущая сейсмическая оценка опасности для Северной Калифорнии идентифицирует Ошибку Хейворда как наиболее вероятное, чтобы разорвать с магнитудой 6.7 или большим событием до 2044. Моделирования колебаний почвы от большого – магнитуды 7.0 или больше – землетрясения требуют областей на заказе 100-500 км и резолюции по заказу приблизительно одного – пяти метров, который переводит на сотни миллиардов узлов решетки.
Поскольку исследователи стремятся моделировать еще более высокие движения частоты между 5 – 10 герц, им будут нужны более плотные вычислительные сетки и более прекрасные временные шаги, которые подвезут вычислительные требования. Единственный способ в конечном счете достигнуть этих моделирований состоит в том, чтобы эксплуатировать вычисление exascale, говорит Маккаллен.