并行技術促進地震偏移成像系統升級

□ 姚秋明 楊祥森

地球物理技術的發展與應用，高度依賴于包括高性能計算技術在內的信息技術，因而促使高性能計算技術在地球物理行業的應用不斷發展，應用規模與領域不斷擴大，技術與產品不斷升級。2000年以來，集群計算技術得到了飛速發展，帶來了地震數據處理系統平臺的又一次更新換代，集群計算機系統基本上已經成為目前地震數據處理的唯一主流平臺。

將并行計算技術與產品應于地震偏移成像計算

近年來，集群計算機系統的配置規模正在不斷擴大，大型地震數據處理中心的集群系統規模已經達到上千個甚至數千個節點，計算能力普遍從百億次級規模提高到目前的數萬億至數十萬億次規模。計算能力的提高，為地震偏移成像技術的應用打下了良好的基礎，提高了地震資料處理的質量，也大大縮短了處理周期。

石油物探技術研究院積極貼近生產，致力于勘探開發領域新技術的發展，在主推的產品線iCluster地震偏移成像軟件系統中大量運用流行的并行計算技術，促進自主知識產權軟件的快速升級。

并行計算技術與產品已經發展到可以應用于地震偏移成像計算的程度，而推動這一工作進程的關鍵是軟件的開發與移植工作。物探院經過認真調研分析，組織成立“面向千萬億次計算機的石油勘探地震成像系統”攻關項目組，制定出并行計算技術的方針，從最初的串行算法分析優化，到邏輯拆分為并行計算，再到并行計算的效率優化以及最后的計算結果分析。他們加大項目組內部交流，加強與千萬億次高效能計算機系統研制課題組、基礎算法庫與并行算法庫課題組以及其他應用課題組之間的交流，通過交流及時了解信息、掌握技術、交流經驗，充分利用項目組內部資源提高工作效率。

吊裝鉆探設備。范明攝

突破制約并行技術效能提升的“瓶頸”

iCluster地震偏移成像軟件系統最早采用的并行化方案是基于MPI（多點接口）實現多節點間的并行，后來在實踐中發現，MPI在節點數目較多時，由于網絡通訊的開銷，嚴重影響了并行計算優勢的發揮，成為了制約并行化整體效能提升的“瓶頸”。為了解決這個問題，物探院組織技術專家多次討論，設計“進程+線程”的多層次并行編程模型，該編程模型很好地映射了多處理器計算機組成的集群體系結構，采用MPI與多線程的多層次并行編程模型，能有效地挖掘其并行計算潛力。現今，他們已實現了波動方程疊前深度偏移（PSDM）、基于Kirchhoff積分法的真地表疊前深度偏移（KPSDM）和基于Kirchhoff積分法的疊前時間偏移（KPSTM）三個模塊在天河一號超級計算機系統上的軟件移植與性能優化，測試性能良好，具備良好的并行線性加速比，實現了集群計算機系統的地震成像處理的高效運行。

地震偏移成像系統升級改造效果明顯

目前，物探院承擔的“面向千萬億次計算機的石油勘探地震成像系統”攻關項目，完成在國產千萬億次高性能計算機上實現多種疊前時刻偏移與疊前深度偏移算法的并行計算程序開發，具有一定的實用性和良好的并行加速比。研發的iCluster地震成像軟件具有良好的可擴展性，可以有效使用4096個以上的處理器系統。完成三維理論模型測試數據集的正演模擬計算與偏移成像實際資料處理測試，尤其在國產千萬億次高性能計算機上完成了實際地震數據集的偏移成像處理測試，實現了大規模地震成像處理的高效運行，促進石油勘探地震成像技術的發展與應用，整體達到國際先進水平。

物探院運用并行技術改造升級地震偏移成像系統，實行理論模型模擬數據測試與實際地震數據測試相結合，在增強地震資料偏移處理效果的同時，有效提高系統的計算性能，提升iCluster地震偏移成像系統處理的效率，為大規模實際生產提供有利條件，推動了國產高性能計算機在石油勘探行業中的大規模應用，打造出石油物探軟件精品，并為將來在大型云計算設備中集中部署國產自主知識產權軟件奠定了良好基礎。