三位研究人員介紹了建立地球數(shù)字孿生的計(jì)劃，該計(jì)劃旨在幫助人們了解全球變暖的影響并做出應(yīng)對(duì)。

三位頂尖科學(xué)家正在幫助帶領(lǐng)計(jì)算史上最雄心勃勃的項(xiàng)目之一：打造地球的數(shù)字孿生。

Peter Bauer、Bjorn Stevens 和 Francisco “Paco” Doblas-Reyes 一致認(rèn)為，地球的數(shù)字孿生需要支持細(xì)致到公里級(jí)的分辨率，以便越來越多的用戶能夠探索氣候變化的風(fēng)險(xiǎn)并做出應(yīng)對(duì)。他們表示，這項(xiàng)工作將需要加速計(jì)算、AI 和廣泛的協(xié)作。

這些艱巨的工作（其中一些已經(jīng)采用了 NVIDIA 技術(shù)）啟發(fā) NVIDIA 開發(fā)了Earth-2，以此為這項(xiàng)共同的事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

在 2021 年底發(fā)布“Earth-2”計(jì)劃時(shí)，NVIDIA 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官黃仁勛曾表示：“我們致力于將 NVIDIA 在計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域的規(guī)模和專業(yè)知識(shí)用于氣候研究，并與全球氣候科學(xué)界攜手合作應(yīng)對(duì)氣候變化?！?/p>

前所未有的大規(guī)模協(xié)作

黃仁勛的承諾體現(xiàn)了對(duì)DestinE（Destination Earth-目標(biāo)地球）等計(jì)劃的支持，該計(jì)劃涉及整個(gè)歐盟地區(qū)，旨在打造地球的數(shù)字孿生。

Bauer 表示：“任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)都無法憑借一己之力完成這項(xiàng)任務(wù)，所以需要全球共同努力?！?作為在歐洲頂級(jí)天氣預(yù)報(bào)中心工作了 20 多年的資深人士，Bauer 目前在帶領(lǐng)該項(xiàng)目，致力于在 2030 年之前打造出地球規(guī)模的模型。

去年，他在《自然》雜志發(fā)表聯(lián)名文章，稱這項(xiàng)工作“需要前所未有的大規(guī)模協(xié)作”。

圖 1. Bauer 呼吁就新的地球信息系統(tǒng)開展廣泛的國際合作

在今年三月的 GTC 演講中，Bauer 設(shè)想了這樣一個(gè)聯(lián)盟——“能夠調(diào)動(dòng)許多國家的資源，包括私人機(jī)構(gòu)。如果 NVIDIA 能夠參與其中，將會(huì)非常有意義?！?/p>

圖 2.Peter Bauer

有了這樣的資源，就能開發(fā)新的數(shù)字和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，然后在大規(guī)模的推理作業(yè)中運(yùn)行這些模型，從而進(jìn)行跨越數(shù)十年的預(yù)測(cè)。

DestinE 起源于 2008 年的一次氣候會(huì)議，是一系列項(xiàng)目的成果，其中包括 Bauer 在歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心工作時(shí)帶領(lǐng)的一些項(xiàng)目。該中心位于英國雷丁，開發(fā)了一些全球先進(jìn)的天氣預(yù)報(bào)模型。

每天消耗 PB 級(jí)的數(shù)據(jù)

由于對(duì)計(jì)算的需求量非常大，因此協(xié)作的范圍也很廣。

圖 3.Francisco Doblas-Reyes

巴塞羅那超級(jí)計(jì)算中心地球科學(xué)部門主任 Doblas-Reyes 表示：“我們談?wù)摰氖敲刻飚a(chǎn)生并且必須快速交付的 PB 級(jí)數(shù)據(jù)?！?Doblas-Reyes 是政府間氣候變化專門委員會(huì)（該委員會(huì)負(fù)責(zé)撰寫一些關(guān)于氣候變化的權(quán)威報(bào)告）的首席作者，同時(shí)也參與了 DestinE 計(jì)劃。

他在今年 3 月舉行的 GTC 上表示，地球數(shù)字孿生計(jì)劃將顛覆傳統(tǒng)的天氣和氣候預(yù)報(bào)方法，“讓用戶成為這一過程的驅(qū)動(dòng)者”。其目標(biāo)是“讓用戶掌舵，生成對(duì)日后應(yīng)對(duì)氣候變化更有用的氣候信息”。

他在演講中詳細(xì)介紹了捕捉氣候系統(tǒng)的混沌性質(zhì)所需的新模型、工作流和系統(tǒng)。

闡明愿景

在 SC20 超算會(huì)議的主題演講中，馬克斯·普朗克氣象研究所主任 Stevens 闡明了數(shù)字孿生的愿景。他帶領(lǐng)著全球頂尖氣候應(yīng)用天氣模型之一的研究、以及一個(gè)實(shí)現(xiàn)公里級(jí)分辨率的模擬項(xiàng)目，其精度比當(dāng)前同類最佳的項(xiàng)目還要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

他表示：“我們需要一種新型計(jì)算能力，以用于地球信息系統(tǒng)，使我們能夠研究自身行動(dòng)和政策的后果，從而構(gòu)建一個(gè)更加可持續(xù)的未來?！?/p>

圖 4. Stevens 在 SC20 會(huì)議上的里程碑式演講闡明了地球數(shù)字孿生這一愿景

Stevens 描述了一個(gè)精確的交互式數(shù)字孿生。例如，他設(shè)想人們可以進(jìn)行查詢，了解氣候變暖會(huì)如何影響北歐地區(qū)的洪水或非洲的糧食安全。

AI 助力打造交互式模擬

他在去年 GTC 的演講中表示，在為用戶提供這種程度的交互性方面，AI 將發(fā)揮主導(dǎo)作用。

“我們需要 AI 來達(dá)成既定目標(biāo)?！彼f道，并對(duì) NVIDIA 以及包括 Bauer 和 Doblas-Reyes 在內(nèi)的同事表示感謝?！罢嬲倪M(jìn)步體現(xiàn)在人們將各自不同的觀點(diǎn)匯集在一起，并重新思考我們的工作方式?！?/p>

圖 5. 氣候模擬追求超高分辨率，以獲得更高的精度

Doblas-Reyes 在今年的 GTC 演講中也認(rèn)同了這種看法。

他說：“在我看來，AI 是數(shù)字孿生的必要補(bǔ)充，也唯有通過此，才能真正意義上為用戶帶來交互性，并很好地助力提供氣候發(fā)展軌跡。”

一路同行

三位科學(xué)家都舉例說明了 NVIDIA 技術(shù)在應(yīng)對(duì)氣候變化的各種項(xiàng)目中的應(yīng)用。

在 GTC 演講中，Stevens 以他獨(dú)有的幽默方式展示了一幅漫畫——卡通版黃仁勛像牛頓一樣被掉落的蘋果砸中，并分享了他參與科研工作歷程中的思考。

Stevens 說：“黃仁勛，我們需要你，你也需要我們?！?/p>

圖 6.Stevens 在他的 GTC 的演講中幽默地將黃仁勛描繪成牛頓

巴塞羅那超算中心即將引入的 MareNostrum 5 系統(tǒng)就是一個(gè)很好的例子。它將有助于加速運(yùn)行在 NVIDIA H100 Tensor Core GPU 之上的 DestinE 工作。

NVIDIA 負(fù)責(zé)氣候研究的資深氣候科學(xué)家 Mike Pritchard 表示：“打造地球的數(shù)字孿生是一項(xiàng)令人興奮的工作，這讓我們能夠借此重新思考 HPC 在 AI 加持下的未來發(fā)展。"

他表示，NVIDIA Omniverse可用于連接 3D 工具和開發(fā)元宇宙應(yīng)用，NVIDIA Modulus則用于基于物理信息的機(jī)器學(xué)習(xí)，NVIDIA Triton用于 AI 推理，它們都將在這項(xiàng)多方參與的工作中發(fā)揮巨大作用。

Bauer 在他的 GTC 演講中表示，這是一項(xiàng)不斷發(fā)展的長期合作?！?4 年前，我就這些問題向 NVIDIA 發(fā)送了第一封電子郵件，從那時(shí)起，NVIDIA 就與我們一路同行?！?/p>