氣象氣候應用在Intel最新處理器Icelake上的效能測評

一、 Intel第三代至強可擴充套件處理器(Icelake)效能大升級

Intel於今年釋出了第三代至強可擴充套件處理器系列產品（代號Ice Lake），與上一代至強可擴充套件處理器系列產品（代號Cascade Lake）相比，第三代至強可擴充套件處理器的改變是從裡到外的，其主要升級點包括：

（1）製造工藝從  14nm  升級到了  10nm  ，理論電晶體密度提升了  2.7  倍；

（2）微架構升級，  IPC  大幅提升  20%  ；

（3）最高核心數從之前的  28  核提升到了  40  核，  AVX2/AVX512  指令集持續最佳化，  L3  快取也從每核  1.375MB  增加到了  1.5MB  ；

（4）IO  效能獲得大幅提升，記憶體從  6  通道升級到了  8  通道，改善記憶體訪問延遲。  PCIE  協議也從之前的  PCIe 3.0  升級到了  PCIe 4.0  。此外，  UPI  匯流排頻寬 也有小幅的提升。

這些硬體效能的提升是否也會對應用的效能起到正面的促進作用呢？特別是針對氣象氣候這類需要大量的 CPU核做大規模平行計算才能完成任務的應用。我們知道，一般氣象氣候類應用的BF Ratio都比較高，即氣象氣候類應用的效能非常依賴於記憶體頻寬，以及浮點計算能力。因此，對於氣象氣候領域的應用而言，第三代至強可擴充套件處理器這些升級無疑是讓人充滿驚喜和期待的，尤其是其AVX指令集的最佳化帶來的浮點計算速度的提升和記憶體通道的增加帶來的記憶體頻寬的釋放。那麼第三代至強可擴充套件處理器對於氣象氣候應用的效能提升相對於Intel 之前的處理器到底怎麼樣呢？在此我們選取氣象氣候領域常用的幾個天氣預報和氣候預報模式，包括WRF中尺度天氣預報模式、MPAS-A跨尺度大氣模式、CESM地球系統模式進行了評測分析。

在下面的測試對比中，我們針對不同的應用，在浪潮的 HPC實驗室裡面構建了測試環境，計算節點分別使用了第二代至強可擴充套件處理器系列中的6230、6248、以及6258R等三款處理器；第三代至強可擴充套件處理器系列中的8358處理器，來做對比分析。

 

二、中尺度預報模式 WRF效能對比

WRF簡介

中尺度預報模式 WRF（Weather Research and Forecasting model）是由美國大氣研究中心（NCAR）、美國大氣海洋局（NOAA）和美國空間氣象局（AFWA）等共同開發的。 WRF 模式可用於數值天氣預報的研究與業務化、物理引數化方案研究、資料同化、驅動空氣質量模式、中小尺度氣候模擬以及海洋大氣模式的耦合等。

 

WRF測試算例

表 1給出了 WRF 算例的網格範圍和計算規模。模擬區域為兩層巢狀，空間解析度分別為 12km 和 4km，水平方向格點數分別為 425*300 和 1150*802，時間步長為 30s 和 10s，垂直方向均為 35 層。預報時間為 3h。模式每 3h 輸出一次資料。

巢狀層數	2
預報時間	3 h
水平網格數	425*300、 1150*802
垂直網格數	35
水平網格解析度	12 km、 4 km
積分步長	30 s、 10 s
輸出頻率	3 h

表 1 WRF算例的時間和網格設定

 

WRF效能測試結果

我們分別在 6230處理器平臺和8358處理器平臺上測試了WRF使用224核執行時的效能。WRF算例在6230處理器平臺的執行時間為695 s，在8358處理器平臺的執行時間為489 s，與6230處理器平臺相比，WRF在8358處理器平臺效能提升42%（圖1）。這主要是因為WRF為計算密集型和記憶體頻寬限制型應用，得益於第三代至強可擴充套件處理器架構的八記憶體通道設計，使記憶體頻寬得以釋放。此外浮點計算速度的增加以及低延遲的記憶體訪問，使得在8358處理器平臺上執行 WRF，效能會有很大的提升。

 

圖  1 6230處理器平臺和8358處理器平臺WRF效能對比