高油價(jià)呼喚高性能

水能變成油嗎?有人稱這完全是騙局，也有人在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文表示支持。不管怎樣，“水變油”的爭(zhēng)論仍將持續(xù)下去。因?yàn)榘殡S著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)于能源的渴望愈發(fā)強(qiáng)烈，正是在這樣的渴望下，高性能計(jì)算成為人們探明更多石油的重要抓手。

英國(guó)石油位于墨西哥灣的油井泄漏事件，已經(jīng)造成了巨大的生態(tài)危機(jī)，為此美國(guó)相關(guān)科研組織專門利用高性能計(jì)算平臺(tái)來預(yù)測(cè)本次泄漏事件所能造成的環(huán)境影響。這說起來多少有些尷尬，以往，高性能計(jì)算都是被人們用來尋找石油，而現(xiàn)在卻要為石油泄露尋找解決方案。

一直以來，石油在現(xiàn)代工業(yè)體系中扮演著關(guān)鍵角色，促使石油企業(yè)將找到更多石油儲(chǔ)藏視為自己的首要任務(wù)。如何在地表數(shù)千米以下的地層中準(zhǔn)確找到油田的位置，并且保證效率和投資回報(bào)率，這就需要強(qiáng)大的技術(shù)支持。而性能不斷躍升、成本持續(xù)下降的高性能計(jì)算系統(tǒng)，成為這些技術(shù)中必不可少的組成部分。特別是隨著當(dāng)前既有油田已經(jīng)經(jīng)過多年開采，使得勘探業(yè)務(wù)不得不向勘探條件更加困難的荒漠、海洋等區(qū)域擴(kuò)展，使得作為重要支撐手段的高性能計(jì)算顯得更加重要。

老油田煥發(fā)又一春

1959年到2009年，大慶油田走過了自己輝煌的50年，累計(jì)生產(chǎn)原油超過20億噸，還培育出了大慶精神、鐵人精神，為建立中國(guó)現(xiàn)代石油工業(yè)體系做出重要貢獻(xiàn)。截至2009年年底，大慶油田全年生產(chǎn)原油超過4000萬噸，這是大慶油田繼原油5000萬噸以上連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)27年后，又在原油4000萬噸以上連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)7年。

為了讓大慶油田這樣一個(gè)“老齡化”油田仍舊能夠煥發(fā)出“又一春”，大慶油田面對(duì)油田進(jìn)入特高含水開發(fā)期等世界級(jí)難題，一直在加快科技自主創(chuàng)新步伐，并通過將高性能計(jì)算應(yīng)用到多學(xué)科一體化油藏研究平臺(tái)，促進(jìn)了精細(xì)地質(zhì)研究與應(yīng)用。

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介紹說: “目前的勘探開發(fā)難題一般都不是單一學(xué)科所能解決的，往往需要多學(xué)科共同攻關(guān)。多學(xué)科的協(xié)同工作需要有滿足多專業(yè)研究、跨專業(yè)協(xié)同、數(shù)據(jù)共享，以及勘探?jīng)Q策功能為一體的軟硬件環(huán)境。隨著數(shù)字油田和智慧地球建設(shè)的逐步深入，地震勘探技術(shù)在地質(zhì)研究中得到廣泛應(yīng)用，尤其是高精度三維地震勘探技術(shù)的應(yīng)用，提高了圈閉判別、儲(chǔ)層識(shí)別和油藏精細(xì)描述的精度?？碧介_發(fā)現(xiàn)場(chǎng)施工動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤，日常管理、監(jiān)控和生產(chǎn)指揮融為一體，提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本。利用信息技術(shù)構(gòu)建的多學(xué)科協(xié)同工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了地震-鉆井-測(cè)井-井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集-室內(nèi)綜合分析等多種資料的融合?；谌璧氐娜S地質(zhì)模型，可以實(shí)現(xiàn)勘探部署和井位設(shè)計(jì)、油藏評(píng)價(jià)、儲(chǔ)層精細(xì)描述和油藏?cái)?shù)值模擬的全過程研究工作。”

張鐵剛認(rèn)為，高性能服務(wù)器和可視化技術(shù)的發(fā)展為油氣勘探開發(fā)提供了一種全新的工作模式。它可以使地球物理家、地質(zhì)家和油藏工程師根據(jù)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型、大量的數(shù)據(jù)資料，形成對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的快速計(jì)算和圖形展示，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田。據(jù)了解，過去大慶油田公司勘探開發(fā)研究院在處理一些密集型計(jì)算，例如地震波屬性計(jì)算、地震波反演計(jì)算時(shí)，主要是通過工作站來計(jì)算?！肮ぷ髡旧献鲞@樣的計(jì)算，可能就是一兩天時(shí)間，或者是十幾個(gè)小時(shí)。而現(xiàn)在通過搭建基于至強(qiáng)7500的多路高性能計(jì)算平臺(tái)，這些計(jì)算基本上沒有超過1個(gè)小時(shí)的，效率能夠提高30倍到50倍 。”張鐵剛說，另一方面，由于地震波處理的計(jì)算軟件的許可證費(fèi)用都很昂貴，一個(gè)單位不可能配備很多，有了至強(qiáng)7500這樣高效的計(jì)算平臺(tái)，就能夠在軟件有限的前提下，大大提高計(jì)算效率?！斑^去在工作站上同樣也是買一個(gè)許可證，但是計(jì)算可能要花一天的時(shí)間。而現(xiàn)在有了這樣一個(gè)高性能的計(jì)算平臺(tái)，一天可能能算出十個(gè)方案，效率大大提高了，自然投資回報(bào)率也就提升了?！?/p>

張鐵剛表示，未來石油勘探開發(fā)會(huì)面臨著愈來愈復(fù)雜的技術(shù)難題，特別是當(dāng)像大慶油田這樣需要面對(duì)如何解決老油田開發(fā)后期剩余油分布問題時(shí)，研究的目標(biāo)、尺度都會(huì)發(fā)生重大變化，對(duì)研究的精度也就提出了更高的要求。

中國(guó)石油東方地球物理公司研究院處理中心總工程師賴能和也表示，隨著全球油價(jià)持續(xù)高位運(yùn)行，石油公司為了提高復(fù)雜區(qū)地質(zhì)構(gòu)造成像精度，提高勘探開發(fā)效益，減少風(fēng)險(xiǎn)，所以加大了地震疊前偏移處理技術(shù)應(yīng)用力度，這也就為高性能計(jì)算在石油行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用帶來了驅(qū)動(dòng)因素。

計(jì)算

還需高效和綠色

中國(guó)石油東方地球物理公司(下稱BGP)擁有亞洲最大的地震資料處理中心，近年來為國(guó)內(nèi)多個(gè)油田勘探突破提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。BGP正在將由單一陸上地震采集業(yè)務(wù)擴(kuò)展到海上勘探、處理解釋、非地震勘探、井間地震、地質(zhì)油藏研究和多用戶勘探等業(yè)務(wù)。目前BGP完成的中國(guó)石油勘探開發(fā)公司三維采集量，占總工作量比例已經(jīng)由過去的10%上升到目前的21%。

作為東方地球物理公司研究院處理中心的總工程師，賴能和想到的更多是數(shù)據(jù)處理背后所隱藏的問題?！敖?jīng)過7年的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐證明，龐大的高性能計(jì)算軟硬件資源，已經(jīng)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)效益，但在實(shí)際應(yīng)用中也出現(xiàn)一些新問題。例如CPU利用率不高問題，存儲(chǔ)性能與數(shù)據(jù)安全的問題，以及高能耗和隨之而來的高制冷成本的問題。”

通過對(duì)影響CPU利用率的因素進(jìn)行分析，賴能和帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化改造內(nèi)存、接口、網(wǎng)絡(luò)連接方式等硬件配置，以及建立目標(biāo)線偏移系統(tǒng)與共享存儲(chǔ)池，合理配置作業(yè)CPU資源，有效地提高了CPU運(yùn)行效率。

賴能和透露，趁著去年市場(chǎng)上內(nèi)存價(jià)格一路下跌，他們擴(kuò)容了計(jì)算設(shè)備的內(nèi)存容量?！斑@樣做，并不是單單為了貪圖價(jià)格便宜，而是我們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)存對(duì)日常工作中計(jì)算效率影響非常大。曾經(jīng)在一個(gè)計(jì)算項(xiàng)目中，分別用8GB和16GB內(nèi)存升級(jí)前后運(yùn)行RTM，其CPU效率甚至大幅提升了7倍以上?！?/p>

石油勘探過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的地震波數(shù)據(jù)，如何在CPU計(jì)算能力不斷提升的同時(shí)，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能不會(huì)成為計(jì)算過程中的短板，也成為了BGP在過去花費(fèi)了大量時(shí)間進(jìn)行攻關(guān)的重要課題。

“普通的NFS遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，讀寫速度只能達(dá)到每秒30MB左右。為了打破這個(gè)速度上的限制，我們利用并行文件系統(tǒng)，例如StorNext、GPFS、Lustre等，增加了I/O的聚合帶寬，讀寫速度達(dá)到了過去NFS系統(tǒng)的數(shù)倍?！辟嚹芎驼f，除此之外，BGP還通過合理使用RAID組硬盤數(shù)量來提高存儲(chǔ)性能，并且通過采用新的NAS存儲(chǔ)技術(shù)， 進(jìn)一步提高CPU利用率。

地震波數(shù)據(jù)對(duì)于BGP而言，可以說就是核心資源，如何有效地保護(hù)如此龐大的數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)閬G失、破壞等原因而變成無用的數(shù)字，就成了他們需要時(shí)刻關(guān)注的問題。

“通過建立VTL數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)，我們提高了數(shù)據(jù)安全性?！辟嚹芎驼f，“我們把數(shù)字化管理平臺(tái)與備份軟件、CGGVeritas系統(tǒng)整合成了一套自動(dòng)的備份系統(tǒng)，這樣就大大提了數(shù)據(jù)的安全性。而且統(tǒng)一的管理平臺(tái)，使得備份資源可控，處理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也進(jìn)一步下降，數(shù)據(jù)備份效果大大提高。”

數(shù)據(jù)中心節(jié)能是近年來企業(yè)IT部門共同關(guān)注的問題，具體到石油行業(yè)高性能計(jì)算領(lǐng)域，不管是供應(yīng)商還是用戶，對(duì)節(jié)能和功耗控制表示了極大的關(guān)注。而BGP也一直在高性能計(jì)算節(jié)能方面做著努力。據(jù)賴能和介紹，BGP對(duì)通過采用柵格地板等方式將冷風(fēng)通道改為下出風(fēng)，直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行吹風(fēng)制冷，使得1200平米的計(jì)算中心機(jī)房一年內(nèi)能夠節(jié)省60多萬元電費(fèi)。賴能和還透露，BGP正在規(guī)劃建設(shè)一個(gè)模塊化的數(shù)據(jù)中心，其中包括有大約1000平米的高密度機(jī)房。而這一新機(jī)房將會(huì)采用全封閉式的水冷制冷系統(tǒng)，從而達(dá)到更加節(jié)能的效果。

英特爾的相關(guān)技術(shù)人員也向《計(jì)算機(jī)世界》記者表示，高功耗絕對(duì)不是綠色的，但低性能同樣不是綠色高性能計(jì)算要追求的目標(biāo)，應(yīng)該從多個(gè)層次來衡量綠色的高性能計(jì)算。在綠色高性能計(jì)算中心建設(shè)中，與之相對(duì)應(yīng)的具體措施就包括: 改善制冷風(fēng)道設(shè)計(jì)、改善UPS電源轉(zhuǎn)換或是采取一些創(chuàng)新設(shè)計(jì)。例如采用直流供電、直接外部散熱手段。

期待百億億次時(shí)代

根據(jù)近幾年高性能計(jì)算Top500排行榜的數(shù)據(jù)，有關(guān)地球物理研究的高性能計(jì)算系統(tǒng)的數(shù)目能占到全部榜單中的前三甲。只要人們對(duì)于石油的依賴仍舊如此強(qiáng)烈，越來越多的高性能計(jì)算系統(tǒng)用于石油勘探領(lǐng)域是不可阻擋的趨勢(shì)。賴能和就預(yù)測(cè)，到2010年底，BGP所擁有的CPU總核數(shù)將達(dá)到40000個(gè)，運(yùn)算能力達(dá)380萬億次/秒，磁盤規(guī)模達(dá)5PT。到2015年底，CPU總核數(shù)將達(dá)到8000個(gè)，運(yùn)算能力達(dá)1000萬億次/秒，磁盤規(guī)模達(dá)12PT。

英特爾能源及高吞吐計(jì)算團(tuán)隊(duì)高級(jí)主管工程師菲利普#8226;蒂埃里也表示，由于石油勘探行業(yè)用戶主要應(yīng)用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行地震數(shù)據(jù)疊前時(shí)間和深度偏移等海量數(shù)據(jù)計(jì)算，其計(jì)算時(shí)間視計(jì)算規(guī)模不同最多可達(dá)幾十天。因此用戶對(duì)高性能計(jì)算提出了非?？量痰囊??！白詮纳蟼€(gè)世紀(jì)70年代開始，石油勘探等地球物理研究通過建模、數(shù)據(jù)獲取進(jìn)行地質(zhì)斷層分析。隨著成像模式的改進(jìn)，地球物理也逐漸從2D成像(如2D WEM、2D RTM等)演進(jìn)到現(xiàn)今的3D成像模式，而3D成像模式對(duì)于后臺(tái)的計(jì)算要求非常高。未來十年間，隨著地震成像技術(shù)的發(fā)展，從基于聲波的逆時(shí)偏移RTM和3D FWI全波形反演向基于彈性波的時(shí)偏移RTM和3D FWI全波形反演，所需要的計(jì)算資源將會(huì)擴(kuò)大1000倍。”

對(duì)于當(dāng)前高性能計(jì)算領(lǐng)域所關(guān)注的百億億次問題，菲利普#8226;蒂埃里坦言，石油勘探領(lǐng)域的高性能計(jì)算應(yīng)用雖然會(huì)由于越來越復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境而面臨更加復(fù)雜的模型和計(jì)算，但是能否在短期內(nèi)達(dá)到百億億次的計(jì)算規(guī)模，還是個(gè)未知數(shù)。“而且受到能耗和編程模式的影響，如果要將應(yīng)用擴(kuò)展到百億億次這個(gè)規(guī)模上去，還需在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步的探索。但是有一點(diǎn)是可以肯定的，石油行業(yè)對(duì)于高性能計(jì)算的需求與日俱增，百億億次的到來只會(huì)讓石油行業(yè)從中獲益?！?/p>

英特爾品牌與市場(chǎng)策略經(jīng)理顧凡向記者表示，針對(duì)未來包括石油勘探領(lǐng)域在內(nèi)的高性能計(jì)算需求和應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)及特點(diǎn)，英特爾已經(jīng)開始了新一輪的創(chuàng)新?！安痪们埃⑻貭柧鸵呀?jīng)宣布計(jì)劃推出基于英特爾集成眾核(MIC)架構(gòu)的全新產(chǎn)品。這種架構(gòu)有助于輕松打造每秒萬億次計(jì)算的平臺(tái)，同時(shí)使用戶繼續(xù)享受英特爾至強(qiáng)處理器的優(yōu)勢(shì)。”

據(jù)了解，英特爾為此計(jì)劃推出的首款相關(guān)產(chǎn)品(研發(fā)代號(hào): Knights Corner)將主要面向勘探、科學(xué)研究，以及金融或氣象模擬等高性能計(jì)算領(lǐng)域。從 2010 年下半年開始，英特爾將進(jìn)一步擴(kuò)展該項(xiàng)目范圍，以打造一系列支持MIC架構(gòu)的開發(fā)工具?！癕IC架構(gòu)產(chǎn)品和新的至強(qiáng)處理器采用的通用軟件開發(fā)工具和優(yōu)化技術(shù)將支持多種編程模式，這些編程模式將為包括石油勘探領(lǐng)域在內(nèi)的科學(xué)家、研究者和工程師們帶來前所未有的計(jì)算性能，幫助他們加快探索世界的步伐。同時(shí)還可以保護(hù)他們現(xiàn)有的軟件投資?！?/p>

英特爾亞太研發(fā)有限公司中國(guó)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)平臺(tái)架構(gòu)師何萬青博士向記者表示，英特爾已經(jīng)開始圍繞MIC架構(gòu)展開一些前期準(zhǔn)備工作?！艾F(xiàn)在我們正在與一些比較前沿的客戶進(jìn)行溝通，其中就包括國(guó)內(nèi)石油勘探行業(yè)的客戶。希望能夠在應(yīng)用軟件方面進(jìn)行合作，正在進(jìn)行相關(guān)方面的準(zhǔn)備?！?/p>

背景資料

石油勘探中的地球物理方法

所謂地球物理方法，是使用現(xiàn)代物理方法和新成果進(jìn)行地質(zhì)勘探的方法。它包括了電法、磁法、重力法、放射性法、地震波法等等。對(duì)石油勘探來說，尤以地震波法最為重要。地震波法勘探石油儲(chǔ)藏是現(xiàn)代石油勘探最基本的方法。因?yàn)?，只有地震波才能穿透厚達(dá)幾千米的巖層.提供石油可能埋藏的信息和數(shù)據(jù)。

地震波法的原理并不困難，基本辦法是用炸藥在地面激起人工地震波，震波沿著與地面垂直的方向傳播，在碰到質(zhì)地相對(duì)致密的巖層以后，一部分波被反射回地面。通過預(yù)先在地面上安置起許多呈現(xiàn)點(diǎn)陣的檢波器，這些檢波器能夠把地面微弱的震動(dòng)變成電子信號(hào)，通過連接線傳輸?shù)浇邮諜C(jī)里。接收機(jī)的功能是分道記錄不同位置的檢波器的電信號(hào)，早期是用把經(jīng)過自動(dòng)增益控制的放大的電流，隨時(shí)間的進(jìn)程記錄在照相紙上，最近三十年來已經(jīng)使用模擬和數(shù)字法把信號(hào)記錄在各類存儲(chǔ)器上。

記錄在載體上的地震波信號(hào)是一道道衰減的波浪，它們相互之間隨位置的移動(dòng)，其波峰和波谷逐漸變化。一個(gè)特征是，當(dāng)出現(xiàn)了某一巖層的明顯反射時(shí)，相鄰的波峰或波谷會(huì)形象地疊合在一起.這樣，如果沿著幾條線逐漸放炮(激勵(lì)地震波)，并逐漸布置檢波器陣列.則在拼合起來的記錄上，可以看見這些波峰形成的一道墻。有時(shí)墻呈現(xiàn)出下凸的弧形，甚至在這條弧形線的下面還有一根上凹的弧形線，這就意味著兩條組成如“眼睛“狀的弧形線之間的巖層可能是封閉的。這個(gè)時(shí)候，需要在與剛才那根地面?zhèn)染€的垂直方向上再布置幾條平行的側(cè)線，看一看在同樣的深度附近，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)類似的兩條眼狀弧形線?如果證實(shí)確實(shí)也有，那么，在這個(gè)地區(qū)的地下深層，存在一個(gè)穹隆形的構(gòu)造，它有可能是儲(chǔ)藏石油的地方。

為了精確測(cè)定深度，還需要對(duì)記錄上的墻出現(xiàn)的位置(它的橫坐標(biāo)是按時(shí)間，即毫秒作計(jì)量單位的，其原點(diǎn)表示爆炸發(fā)生時(shí)那一瞬間)……，這就需要把時(shí)間量度轉(zhuǎn)換為距離量度。一種辦法是使用縱波傳播的速度和時(shí)間的乘積; 另一種辦法就是按照時(shí)間差和一定的傳播軌跡應(yīng)滿足雙曲線的規(guī)律，這樣的轉(zhuǎn)換被稱為“歸位“。經(jīng)過歸位運(yùn)算以后的地震反射波各點(diǎn)就是實(shí)際深度了。這樣只需要精確地記下眼睛狀曲線的各點(diǎn)，就能較為準(zhǔn)確地圈定地下可能的儲(chǔ)藏石油構(gòu)造的位置和深度了。