高性能計(jì)算:我為祖國(guó)“算”石油

2011年7月16日中央電視臺(tái)的《新聞聯(lián)播》有這樣一則報(bào)道：在冬夏溫差70多攝氐度、自然環(huán)境和地質(zhì)條件異常惡劣、素有“草木不生”之稱的毛烏素沙漠中，從2009年開始，中石油東方物探的紅旗黨支部——280隊(duì)就一直奮戰(zhàn)在這里，在大漠深處堅(jiān)持著油氣勘探。280隊(duì)放線班由6名黨員和10名工人組成，他們這一天的任務(wù)，是在毛烏素沙漠腹地完成800眼炮井的布線工程。經(jīng)典歌曲——《我為祖國(guó)獻(xiàn)石油》，正是這些可敬的石油工人的真實(shí)寫照。

隨著能源需求不斷增加，全球易開采油田開始枯竭，根據(jù)《華爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道，即便是石油儲(chǔ)藏富國(guó)——沙特阿拉伯，也開始轉(zhuǎn)向開采難度更大的重油資源。可見，對(duì)于油氣資源相對(duì)匱乏的中國(guó)，如何找到更多的油氣資源，相比于是否易于開采則顯得更加迫切了。

計(jì)算能力直線飆升

賴能和也來自中國(guó)石油東方物探公司，和“280隊(duì)”不同的是，他來自公司研究院處理中心。作為總工程師，他也擔(dān)負(fù)著一項(xiàng)同樣重要和辛苦的工作——地震波數(shù)據(jù)處理。現(xiàn)階段最流行、最精準(zhǔn)的油氣勘探法就是地震波法，其主要原理就是通過人工地震波，采集傳入地下深處的不同形態(tài)巖層形成的反射波，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)，并通過計(jì)算處理模擬勘探區(qū)域地下的地質(zhì)構(gòu)造。這樣便可以精確地找到存有石油或天然氣的巖層精確位置。由于地震波法勘探收集的數(shù)據(jù)通常都以TB計(jì)，在海洋勘探過程中收集到的數(shù)據(jù)容量更是會(huì)突破PB級(jí)，要處理這些海量的數(shù)據(jù)，必須依靠高性能計(jì)算。

賴能和告訴記者，目前他所在的處理中心的運(yùn)算能力達(dá)到528萬億次/秒，比2010年增加了近200多萬億次/秒，其背后的原因就是數(shù)據(jù)計(jì)算量的直線增加。

“以深度偏移數(shù)據(jù)處理為例，從2008年占所有數(shù)據(jù)的7%，到2009年的14%、2010年的30%，今年更是已經(jīng)超過了60%，可見計(jì)算量增加了很多。再就是隨著‘逆時(shí)偏移’這樣的新算法的增加，它需要更加強(qiáng)大的計(jì)算能力做支撐。以目前處理中心計(jì)算能力而言，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。”賴能和說。

中國(guó)石油大慶油田公司勘探開發(fā)研究院總工程師張鐵剛也向記者表示，大慶油田在三維地震高分辨率地震勘探、大規(guī)模油藏計(jì)算等油田整體優(yōu)化的開發(fā)和規(guī)劃方面也都在加大對(duì)高性能計(jì)算的應(yīng)用。

“未來，隨著巖性油氣藏勘探、多波多分量地震數(shù)據(jù)處理解釋、精細(xì)油藏描述、剩余油分布研究等工作的深入，大慶油田高性能計(jì)算方面的工作將不斷深入。”張鐵鋼說，“近兩年來，在英特爾的支持下，包括基于最新至強(qiáng)E7平臺(tái)的樣機(jī)都在我們那里進(jìn)行了測(cè)試，例如多學(xué)科協(xié)同地震解釋等測(cè)試。在這個(gè)過程中，我們獲益匪淺。隨著需要分析的區(qū)塊越來越大，數(shù)據(jù)密度也越來越高，這些數(shù)據(jù)如何來解釋、如何以此提出有價(jià)值的地質(zhì)信息，必須進(jìn)行地震解釋和地震屬性的計(jì)算以及三維可視化解釋，這都需要強(qiáng)大的高性能計(jì)算設(shè)備來支持。”

集裝箱數(shù)據(jù)中心大有作為

由于在靈活性、高密度等方面的優(yōu)勢(shì)，集裝箱數(shù)據(jù)中心越來越受到各方關(guān)注。但是往往是觀望的多、談?wù)摰亩啵嬲龖?yīng)用的少。不過在石油物探領(lǐng)域，已經(jīng)有了第一個(gè)“吃螃蟹”的人。

來自中國(guó)石油川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司（下稱川慶物探）的消息，他們已經(jīng)在實(shí)際勘探工作中引入了一套IBM集裝箱式數(shù)據(jù)中心。

川慶物探湯成兵告訴記者，近幾年來，按照西南油氣分公司對(duì)油氣勘探的要求，川慶物探公司所服務(wù)的項(xiàng)目，難度越來越大、項(xiàng)目周期越來越短。為了更好地服務(wù)油氣勘探，川慶物探公司推進(jìn)了地震資料采集處理解釋一體化的工作，靠前處理解釋分中心便是一體化過程的較好體現(xiàn)。經(jīng)過兩年的分析調(diào)研，川慶物探最終采用了集裝箱式數(shù)據(jù)中心。

“這個(gè)數(shù)據(jù)中心采用20英尺鋼結(jié)構(gòu)貨柜為載體，采用高密度機(jī)房設(shè)計(jì)，包含252枚六核至強(qiáng)5650處理器的計(jì)算集群，PUE值達(dá)到了1.2，處理能力達(dá)到了3000平方公里的三維常規(guī)地震資料處理。”湯成兵介紹說。

結(jié)合到東方物探公司的實(shí)際情況，賴能和也認(rèn)為如果性價(jià)比合適的話，集裝箱式的處理中心，對(duì)于靠前數(shù)據(jù)處理是一個(gè)很好的應(yīng)用。“過去有些現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算項(xiàng)目，就搬了幾臺(tái)機(jī)器在酒店里租了房子，數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)束后設(shè)備再搬回總部，實(shí)際上成本也是挺高的。對(duì)我們下一步的應(yīng)用，從環(huán)保、節(jié)能、安全上來說，集裝箱式的處理中心還是有一定的應(yīng)用前景的。”

平衡計(jì)算 應(yīng)用為本

在東方物探，每年用在數(shù)據(jù)處理上的電費(fèi)已經(jīng)達(dá)到了2600萬元，雖然采用了各種節(jié)能降耗的手段，每年節(jié)省200余萬元，但是電費(fèi)高居不下，仍舊讓賴能和不敢掉以輕心。為了增加計(jì)算能力，東方物探在2011年添置了100多套GPU系統(tǒng)，但是隨之而來的噪音問題，讓東方物探有些吃不消。“由于密度比較大，由GPU散熱風(fēng)扇帶來的噪音非常大，跟飛機(jī)場(chǎng)的噪音差不多。”賴能和說。

能耗、噪音這些問題，已經(jīng)成為提高計(jì)算能力之外，高性能應(yīng)用必須面對(duì)的話題。英特爾公司亞太區(qū)高性能計(jì)算解決方案架構(gòu)師David Scott博士表示，石油行業(yè)用戶要讓自己的高性能計(jì)算機(jī)在處理勘探數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)揮最大效用，就必須從更高的層面考慮，構(gòu)建一個(gè)計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)格組件之間性能保持平衡、彼此配合“融洽”，具備性能、高能效、易管理的高性能計(jì)算數(shù)據(jù)中心，這樣才能獲得最高的業(yè)務(wù)執(zhí)行效率和最佳的投資回報(bào)。

在這一理念下，英特爾認(rèn)為整個(gè)數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備就相當(dāng)于一個(gè)智能的大腦，擔(dān)負(fù)計(jì)算任務(wù)的服務(wù)器就如同其專門判斷和處理信息的神經(jīng)元；存儲(chǔ)設(shè)備則是可以收納海量信息，并隨時(shí)準(zhǔn)備接受訪問和更新的記憶細(xì)胞，而網(wǎng)絡(luò)就是連通所有這些神經(jīng)元和記憶細(xì)胞的神經(jīng)連接，惟有三者在性能和功能上盡量實(shí)現(xiàn)平衡，才能實(shí)現(xiàn)最無縫的配合，以及1+1+1>3的應(yīng)用效果。

英特爾這種從應(yīng)用出發(fā)、平衡計(jì)算的理念，也得到了石油行業(yè)用戶的回應(yīng)。“在引進(jìn)地震處理計(jì)算集群以后，包括引進(jìn)了用于油藏?cái)?shù)值模擬的集群以后，英特爾一直和我們一起進(jìn)行性能優(yōu)化測(cè)試，利用英特爾的性能分析工具，幫助我們優(yōu)化分析軟件系統(tǒng)，指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化配置和調(diào)整。這些都為提高我們地震處理、數(shù)模計(jì)算的能力帶來了很大的幫助和支持。”張鐵剛說。

浪潮集團(tuán)高性能服務(wù)器產(chǎn)品部總經(jīng)理劉軍也認(rèn)為，高性能計(jì)算系統(tǒng)峰值性能已經(jīng)不是衡量高性能計(jì)算水平的根本尺度。只有高性能計(jì)算與行業(yè)應(yīng)用深入結(jié)合，充分匹配和滿足應(yīng)用計(jì)算需求，才能體現(xiàn)出高性能計(jì)算產(chǎn)品不僅“好用”，還能“用好”。劉軍介紹說：“浪潮為服務(wù)好用戶應(yīng)用創(chuàng)新專門成立了一支應(yīng)用軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)，近年來在石油領(lǐng)域開展了卓有成效的應(yīng)用開發(fā)和優(yōu)化工作。浪潮圍繞行業(yè)應(yīng)用需求進(jìn)行了多項(xiàng)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新，包括國(guó)產(chǎn)32路大內(nèi)存cc-NUMA高端服務(wù)器、8路胖節(jié)點(diǎn)、PB級(jí)海量存儲(chǔ)系統(tǒng)、千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)、基于國(guó)產(chǎn)處理器的全國(guó)產(chǎn)服務(wù)器等。”

鏈接

集成眾核架構(gòu)引領(lǐng)行業(yè)走向百億億次計(jì)算時(shí)代

通用圖形處理器(GPGPU)加速的方式在高性能計(jì)算領(lǐng)域應(yīng)用的趨勢(shì)越來越明顯。與此同時(shí)，英特爾也在不斷加速對(duì)于高性能并行計(jì)算專用加速技術(shù)的研究與開發(fā)。

與其他IT廠商提供的類似產(chǎn)品或解決方案相比，英特爾集成眾核（MIC）架構(gòu)由于采用了已被業(yè)界廣泛接受和應(yīng)用的IA架構(gòu)，因此其相關(guān)應(yīng)用的開發(fā)和優(yōu)化也沿用了用戶們熟悉的編程模型和編程環(huán)境，這使得用戶可以利用英特爾軟件開發(fā)和優(yōu)化工作的特別版本，在非常短的時(shí)間內(nèi)將其現(xiàn)有的、運(yùn)行在英特爾架構(gòu)處理器平臺(tái)上的高性能計(jì)算應(yīng)用遷移到基于MIC架構(gòu)的產(chǎn)品上運(yùn)行，并通過簡(jiǎn)單的優(yōu)化就能獲得可觀的性能提升，而這將為用戶帶來應(yīng)用性能的迅速增長(zhǎng)和既往軟件投資得以保全的雙重收益。

在2011年國(guó)際超級(jí)計(jì)算大會(huì)期間，英特爾就展示了基于MIC架構(gòu)的應(yīng)用。MIC架構(gòu)將是英特爾引領(lǐng)整個(gè)IT行業(yè)及所有高性能計(jì)算用戶走向百億億次計(jì)算時(shí)代的關(guān)鍵所在。而每秒百億億次或數(shù)百億億次浮點(diǎn)計(jì)算的性能指標(biāo)相當(dāng)于目前全球最快高性能計(jì)算機(jī)的百倍之多，如此大的性能提升將帶來更大的應(yīng)用空間，讓用戶能夠以更加精細(xì)先進(jìn)的處理方法，來計(jì)算更多、更大規(guī)模的數(shù)據(jù)，最終獲得更為精準(zhǔn)的結(jié)果，這對(duì)石油勘探行業(yè)來說，就是對(duì)石油貯藏更快更精確的定位，以及之后更快的開采速度和更低的開采成本。

浪潮集團(tuán)高性能服務(wù)器產(chǎn)品部總經(jīng)理劉軍向記者透露，在英特爾與浪潮聯(lián)合成立的MIC實(shí)驗(yàn)室中，已經(jīng)有了MIC的樣卡。“MIC是浪潮在高性能計(jì)算應(yīng)用方面重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，浪潮正在積極開展相關(guān)方面的研究工作。GPGPU和MIC相比，前者給那些技術(shù)天才或程序員高手帶來了展示自己才華的機(jī)會(huì)，而后者，就相當(dāng)于讓普通的人也能夠輕松地在MIC上進(jìn)行編程。”