圍繞能源低碳戰略需求圓夢高性能計算軟件“中國造”——中科院自主研發油氣勘探地震偏移協同并行計算系統

鐘青云

2008年12月26日，在中科院地球物理所舉行的鑒定會合影。從左到右分別為郭建（中國地球物理協會秘書長）、劉洪(中科院地質與地球物理所研究員)、佟小龍（GPU開發小組發起人）、趙化昆（原中石油勘探生產分公司副總經理）、劉光鼎（院士）、管忠（中石油物探局研究院前院長）、李幼銘（研究員）、劉欽(吉星吉達公司總經理)、劉國峰（博士生）。

經過長期努力，中國科學院地質與地球物理研究所和北京吉星吉達科技有限公司聯合研發了 “油氣勘探地震偏移GPU/CPU協同并行計算系統（CPPC）”, 填補了國內石油地球物理行業國內高性能計算領域的空白，實現了中國石油物探高性能計算軟件“中國造”。

中石油973項目專家組認為，GPU/CPU協同并行計算(CPPC)帶給我們的是一場高性能計算的革命，可以預見，在不久的將來，GPU在地球物理領域將占有重要的地位，就像當年PC服務器集群取代大型機一樣，現在廣泛應用的大規模CPU多節點并行模式，有被GPU/CPU協同并行模式取代的趨勢。

（一）我國油氣勘探高性能計算受制于人

社會經濟發展對油氣資源需求越來越大，石油勘探開發對于地震勘探精度和準確性需求不斷提高，導致地震勘探數據量與計算量呈指數式增長。這一方面對高性能計算技術呈現出持續而強勁的需求，為高性能計算產業提供了一個長期穩定的市場；另一方面高性能計算技術的發展能否以較優的性能價格比提供客戶成為石油物探技術發展的制約因素。比如，疊前時間偏移、疊前深度偏移、波動方程偏移等，計算量和需要處理的數據量極其巨大，往往成為目前地震資料處理過程中的“瓶頸”所在。

目前高性能計算在業界較為流行的解決方案是使用PC集群技術，就是把多臺計算機用高速網絡連接，組成一個集群，運行特定的程序進行計算。另外，還需要在服務器集群等大規模并行計算機上運行需要上百萬美元的國外商業專業處理軟件來運算這些海量數據。但是，隨著集群的不斷擴大，軟硬件投資、龐大場地、空調制冷、功耗等，都成為制約集群發展的問題。比如，1萬個CPU集群，每年僅電費就消耗1000多萬，其軟硬件投資更是天文數字。

盡管如此，由于在石油勘探高性能計算軟件領域，我國一直沒有自主創新的民族品牌的高端軟件，中石油、中石化、中海油等石油公司每年都要耗費巨資從海外引進軟件，而這些軟件幾乎又都是由海外華裔石油服務兵團開發的。某華裔科學家曾感慨地說，我們在海外開發軟件，你們去國外買軟件，我真不明白怎么回事？”

（二）圍繞戰略需求科技攻關

過去十年中，集群計算機系統成為石油物探數據處理的主流甚至是唯一系統架構類型。從技術發展趨勢來看，異構并行計算系統將成為下一個十年的主要發展方向。如何快速有效地開發基于大規模異構并行計算系統的石油物探軟件是當前面臨的最大難題。我國油氣勘探計算能否圍繞這一戰略需求進行科技攻關，找到一種高性能計算算法，依靠一種可用、準確、快捷的程序，多快好省地完成海量計算呢？

2007年8月，與中國科學院長期合作的佟小龍發起成立GPU開發小組，建議沿循當前計算系統發展方向，應用協同并行計算來解決地球物理中海量計算的問題。佟小龍與中科院地質與地球物理所研究員劉洪以及他的博士生李博、劉國峰組成攻關小組，協同并行加速計算研究正式啟動。佟小龍現為民營科技企業研發骨干。1998年，當時在勝利油田工作的佟小龍，便與中科院地球物理所研究員劉洪開始在科學計算領域的合作。

劉洪教授現任地球物理學報編委、地球物理學進展副主編、石油物探編委、地質學會勘探地球物理委員會副主任委員、石油天然氣集團公司物探重點實驗室學術委員會委員，在國家物理研究中頗有造詣，1997年曾參加了“復雜介質地震波場成像理論及在勝海探區的應用”的研究，參與獲得中國科學院科技進步獎一等獎；特別是參加大慶油田大氣田的發現工作，2003年獲中國科學院知識創新重大貢獻團隊獎。

2009年cps-seg年會上，用戶饒有興趣地參觀吉星吉達公司的設備

2009年吉星吉達公司總經理劉欽在中石化江漢油田物探研究院舉行講座的照片

2008年初，從事油儲地球物理專業研究21年的劉洪研究員基于“李群算法”的非對稱走時疊前時間偏移三維算法已經基本完善。在這個基礎上，項目組開始了GPU加速通用計算在石油工業中疊前時間偏移的研究。第一個月，因顯卡本身主頻太低，效率比普通CPU還慢4倍。在解決速度的過程中，逐漸熟悉和掌握GPU的計算特性，克服了GPU中線性流處理器的計算要求算法的解耦性、重新組織和調整所有變量和運算的順序，以適應GPU的計算環境。項目組按照GPU原理及協同并行計算(CPPC)的思路，針對偏移算法中不同階段的運算特點，采用不同的軟件編寫策略，在劉洪研究員偏移算法程序的每一個環節最大限度實現不同處理器協同計算，使得其成功編寫了“非對稱走時Kirchhoff疊前時間偏移算法”的協同并行計算(CPPC)軟件。經過反復測試，2008年7月，項目組成功找到核心算法，程序速度比正常CPU快了4倍，又幾經修改程序，速度提高10倍以至20倍以上。

作為該系統的硬件平臺，項目團隊開發成功一款GK-II型GPU/CPU協同并行計算機，是在一個24U高的機柜中安裝了6臺NvidiaTeslaS10701U機架式服務器和6臺配置兩顆2.5GHz四核CPU的2U機架式PC服務器，運算能力達到24萬億次每秒，總體功耗是7000瓦特。

除了計算速度的對比測試，項目組還進行了資料處理效果的測試，畢竟，處理效果的好壞對于地震勘探來說更為重要。項目組使用該系統處理了大慶、河南、勝利、華北、吉林、新疆、中原、遼河等13塊、總面積超過50000平方公里，數據量約11.6TB的三維地震數據。測試結果表明該系統與常用商業軟件的整體效果相當，且對介質橫向速度變化大、傾角陡的地區成像效果改善明顯，優于目前的商用軟件。

（三）公司化運作推動科技長入經濟

當協同并行計算取得突破性進展以后，這一項目顯示了油氣勘探精確成像的產業化前景，同時其協同并行的高性能計算帶來節能減排、大量節約成本的社會與經濟效益。

這時，一些看到項目前景的各式各樣的合作者紛紛找上門來，有的想全面收購，有的只想把項目轉手賣個好價錢。佟小龍項目組在意向洽談中結識了投資合伙人劉欽，劉欽對事業的執著、做事情的認真，不計較個人得失地投入大量的時間、精力、金錢，這些都與項目組的目標不謀而合，劉欽很快作為戰略投資者被項目組認同接受，吉星吉達科技公司應運而生。

作為這一項目的戰略投資者，劉欽看中了該項目符合中國能源低碳戰略的長遠規劃，GPU項目將疊前偏移的計算速度提高了幾十倍甚至上百倍，而系統構建成本卻不到傳統并行機的十分之一。油氣勘探成像不僅準確率高，而且高效計算可以節約大量成本和空間，可以用以往20%投資、10%能耗、25%場地實現相同的效率。

劉欽認為，中國正處于工業化、城市化進程加快過程中，能源需求仍在急劇增長，以煤炭為主的能源結構一時難以改變；同時，高耗能、高排放行業在工業產業結構中占很大比例，且發展方式比較粗放，這就決定了我國發展低碳經濟要以節能減排為重要抓手，在發展低碳產業的同時，更要注重“產業降碳”，降低能耗，減少污染，以減輕經濟發展對資源、能源和環境的壓力。低碳經濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式，核心是能源技術和減排技術創新、產業結構和制度創新。發展低碳經濟已成為轉變發展方式的方向和我國占據世界經濟競爭制高點的關鍵。

在推動過程中，遇到了各種觀念的沖突和各方阻力，但大家為著一個共同的目標，堅持不懈地努力工作。正是憑借著項目團隊的協同攻關、創新務實的精神，特別是大慶、勝利、吐哈油田測試屢屢成功，給項目組以繼續努力的信心和動力，產品逐漸被油田認可，各項工作不斷走向正軌。

（四）國內油田應用初露鋒芒

2009年3月， GPU軟件在大慶油田500多平方三維共886GB疊前數據應用進行測試，該公司12個GPU等同于現有的集群系統大約1500個CPU同時工作的運算能力。大慶油田一個某技術主管領導感慨道，“過去一個月的事情現在一周就可以了”。而且，GPU的問世，可以用以往20%投資、10%能耗、25%場地實現相同的效率。根據專家估算，從引進成本、電費等方面考慮，耗資1000萬購買GPU軟件及配套硬件，起碼為油田節約投資一個億，同時還能保質保量地完成油田過去的生產任務。

繼大慶油田之后，江漢油田物探研究院2009年引進的一套GPU/CPU協同并行計算非對稱走時疊前時間偏移處理系統，日前投入科研生產并取得顯著效果。目前，江漢油田應用該處理系統已順利完成八面河西部高精度三維疊前時間偏移、潛江凹陷張家湖三維連片處理疊前時間偏移、江陵凹陷萬城—萬城南—李埠三維連片處理疊前時間偏移處理任務。其中，八面河西部高精度三維處理僅用時13天，而以往采用國外商業處理系統進行疊前時間偏移需要4個月之久。GPU/CPU協同并行處理系統與其他疊前時間偏移處理系統相比，成像精度更高，而且具有硬件投入成本低廉和能耗低的優勢。

在勝利油田、吐哈油田推廣使用，因其計算速度快，成像結果準確，贏得好評如潮，南陽、中原、四川等更多的油田紛紛表示了購買意向。

(五) 通過成果鑒定引起廣泛關注

經過中石油研究院、大慶油田、勝利油田等地測試，GPU軟件計算速度達到現有CPU的28倍，在節約大量電費的同時，節省大量空間。

2008年12月, 中石油立項、石油大學牽頭、中國科學院地質與地球物理所參加的973項目“非均質油氣藏地球物理探測的基礎研究”辦公室召開專家會議，對 GPU/CPU協同并行計算成果進行鑒定，專家組對此項技術給予了高度評價，專家組一致認為，油氣勘探地震偏移GPU/CPU協同并行計算系統技術手段先進有效，實現了顯著加快偏移計算速度，提高數值精度和減少計算成本的技術目標，其軟硬件擁有高效率的計算速度，是一項具有自主知識產權的科技成果，對油氣勘探地震偏移技術發展具有重大意義。

GPU軟件目前已經引起國內外廣泛關注。國外“勘探與開發”雜志曾刊登說：“中國石油工業采用新的GPU加速軟件解決地震成像問題”。中國石油工業領導敏銳覺察到此項技術的先進性、重要性、原創性，中國石油天然氣集團公司總經理蔣潔敏批示要求科技、生產、信息部門關注此項技術，中石化、中海油有關領導也非常重視。

據悉，目前該技術在領導關注和重視下已先后在東方地球物理公司、大慶、勝利、吐哈、四川、江漢、中原等油田都安裝了此系統，搶占了高端軟件市場，創造了很好效益。