Моделирование переноса солнечного излучения в облачной атмосфере методом Монте-Карло с использованием графического процессора и технологии NVIDIA CUDA

摘要

Обсуждаются вопросы о повышении эффективности численного моделирования распространения солнечного излучения в атмосфере Земли методом Монте-Карло путем перехода от последовательных вычислений к параллельным. Представлен новый параллельный алгоритм метода, ориентированный на вычислительную систему с графическим процессором, поддерживающим технологию NVIDIA CUDA. Эффективность распараллеливания проанализирована на примере расчета потоков нисходящей и восходящей солнечной радиации как в вертикально однородной, так и неоднородной моделях атмосферы. Представлены результаты апробации алгоритма в различных атмосферных условиях, в том числе в условиях однослойной и многослойной сплошной облачности, с учетом и без учета селективного молекулярного поглощения. Анализируются результаты тестирования кода на видеокартах с разной вычислительной мощностью. Показано, что перенос вычислений с традиционных ПК на архитектуру графических процессоров дает более чем стократный прирост производительности и в полной мере раскрывает возможности используемой технологии.%Issues about improving the performance of Monte Carlo numerical simulation of light transport in the Earth's atmosphere by moving from consecutive calculations to parallel ones are discussed. A new parallel algorithm oriented to a computing system with a graphics processor that supports the NVIDIA CUDA technology is suggested. The efficiency of parallelization is analyzed on the basis of calculating the fluxes of downward and upward solar radiation in both vertically homogeneous and heterogeneous models of the atmosphere. The results of approbation of the new code under various atmospheric conditions including continuous single-layered and multilayered clouds and selective molecular absorption are presented. The results of testing the code using video cards with different compute capability are analyzed. It is shown that the changeover of computing from conventional PCs to the architecture of graphics processors gives more than a hundredfold gain in performance and fully reveals the capabilities of the technology used.