高性能計算:我為祖國“算”石油

2011年7月16日中央電視臺的《新聞聯播》有這樣一則報道：在冬夏溫差70多攝氐度、自然環境和地質條件異常惡劣、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隊就一直奮戰在這里，在大漠深處堅持著油氣勘探。280隊放線班由6名黨員和10名工人組成，他們這一天的任務，是在毛烏素沙漠腹地完成800眼炮井的布線工程。經典歌曲——《我為祖國獻石油》，正是這些可敬的石油工人的真實寫照。

隨著能源需求不斷增加，全球易開采油田開始枯竭，根據《華爾街日報》報道，即便是石油儲藏富國——沙特阿拉伯，也開始轉向開采難度更大的重油資源。可見，對于油氣資源相對匱乏的中國，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。

計算能力直線飆升

賴能和也來自中國石油東方物探公司，和“280隊”不同的是，他來自公司研究院處理中心。作為總工程師，他也擔負著一項同樣重要和辛苦的工作——地震波數據處理。現階段最流行、最精準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巖層形成的反射波，轉變為數據，并通過計算處理模擬勘探區域地下的地質構造。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據通常都以TB計，在海洋勘探過程中收集到的數據容量更是會突破PB級，要處理這些海量的數據，必須依靠高性能計算。

賴能和告訴記者，目前他所在的處理中心的運算能力達到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據計算量的直線增加。

“以深度偏移數據處理為例，從2008年占所有數據的7%，到2009年的14%、2010年的30%，今年更是已經超過了60%，可見計算量增加了很多。再就是隨著‘逆時偏移’這樣的新算法的增加，它需要更加強大的計算能力做支撐。以目前處理中心計算能力而言，還遠遠不夠。”賴能和說。

中國石油大慶油田公司勘探開發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、大規模油藏計算等油田整體優化的開發和規劃方面也都在加大對高性能計算的應用。

“未來，隨著巖性油氣藏勘探、多波多分量地震數據處理解釋、精細油藏描述、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E7平臺的樣機都在我們那里進行了測試，例如多學科協同地震解釋等測試。在這個過程中，我們獲益匪淺。隨著需要分析的區塊越來越大，數據密度也越來越高，這些數據如何來解釋、如何以此提出有價值的地質信息，必須進行地震解釋和地震屬性的計算以及三維可視化解釋，這都需要強大的高性能計算設備來支持。”

集裝箱數據中心大有作為

由于在靈活性、高密度等方面的優勢，集裝箱數據中心越來越受到各方關注。但是往往是觀望的多、談論的多，真正應用的少。不過在石油物探領域，已經有了第一個“吃螃蟹”的人。

來自中國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，他們已經在實際勘探工作中引入了一套IBM集裝箱式數據中心。

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油氣勘探的要求，川慶物探公司所服務的項目，難度越來越大、項目周期越來越短。為了更好地服務油氣勘探，川慶物探公司推進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。經過兩年的分析調研，川慶物探最終采用了集裝箱式數據中心。

“這個數據中心采用20英尺鋼結構貨柜為載體，采用高密度機房設計，包含252枚六核至強5650處理器的計算集群，PUE值達到了1.2，處理能力達到了3000平方公里的三維常規地震資料處理。”湯成兵介紹說。

結合到東方物探公司的實際情況，賴能和也認為如果性價比合適的話，集裝箱式的處理中心，對于靠前數據處理是一個很好的應用。“過去有些現場計算項目，就搬了幾臺機器在酒店里租了房子，數據計算結束后設備再搬回總部，實際上成本也是挺高的。對我們下一步的應用，從環保、節能、安全上來說，集裝箱式的處理中心還是有一定的應用前景的。”

平衡計算 應用為本

在東方物探，每年用在數據處理上的電費已經達到了2600萬元，雖然采用了各種節能降耗的手段，每年節省200余萬元，但是電費高居不下，仍舊讓賴能和不敢掉以輕心。為了增加計算能力，東方物探在2011年添置了100多套GPU系統，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散熱風扇帶來的噪音非常大，跟飛機場的噪音差不多。”賴能和說。

能耗、噪音這些問題，已經成為提高計算能力之外，高性能應用必須面對的話題。英特爾公司亞太區高性能計算解決方案架構師David Scott博士表示，石油行業用戶要讓自己的高性能計算機在處理勘探數據時發揮最大效用，就必須從更高的層面考慮，構建一個計算、存儲和網格組件之間性能保持平衡、彼此配合“融洽”，具備性能、高能效、易管理的高性能計算數據中心，這樣才能獲得最高的業務執行效率和最佳的投資回報。

在這一理念下，英特爾認為整個數據中心的IT設備就相當于一個智能的大腦，擔負計算任務的服務器就如同其專門判斷和處理信息的神經元；存儲設備則是可以收納海量信息，并隨時準備接受訪問和更新的記憶細胞，而網絡就是連通所有這些神經元和記憶細胞的神經連接，惟有三者在性能和功能上盡量實現平衡，才能實現最無縫的配合，以及1+1+1>3的應用效果。

英特爾這種從應用出發、平衡計算的理念，也得到了石油行業用戶的回應。“在引進地震處理計算集群以后，包括引進了用于油藏數值模擬的集群以后，英特爾一直和我們一起進行性能優化測試，利用英特爾的性能分析工具，幫助我們優化分析軟件系統，指導系統優化配置和調整。這些都為提高我們地震處理、數模計算的能力帶來了很大的幫助和支持。”張鐵剛說。

浪潮集團高性能服務器產品部總經理劉軍也認為，高性能計算系統峰值性能已經不是衡量高性能計算水平的根本尺度。只有高性能計算與行業應用深入結合，充分匹配和滿足應用計算需求，才能體現出高性能計算產品不僅“好用”，還能“用好”。劉軍介紹說：“浪潮為服務好用戶應用創新專門成立了一支應用軟件開發團隊，近年來在石油領域開展了卓有成效的應用開發和優化工作。浪潮圍繞行業應用需求進行了多項產品技術創新，包括國產32路大內存cc-NUMA高端服務器、8路胖節點、PB級海量存儲系統、千萬億次超級計算機、基于國產處理器的全國產服務器等。”

鏈接

集成眾核架構引領行業走向百億億次計算時代

通用圖形處理器(GPGPU)加速的方式在高性能計算領域應用的趨勢越來越明顯。與此同時，英特爾也在不斷加速對于高性能并行計算專用加速技術的研究與開發。

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

在2011年國際超級計算大會期間，英特爾就展示了基于MIC架構的應用。MIC架構將是英特爾引領整個IT行業及所有高性能計算用戶走向百億億次計算時代的關鍵所在。而每秒百億億次或數百億億次浮點計算的性能指標相當于目前全球最快高性能計算機的百倍之多，如此大的性能提升將帶來更大的應用空間，讓用戶能夠以更加精細先進的處理方法，來計算更多、更大規模的數據，最終獲得更為精準的結果，這對石油勘探行業來說，就是對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。

浪潮集團高性能服務器產品部總經理劉軍向記者透露，在英特爾與浪潮聯合成立的MIC實驗室中，已經有了MIC的樣卡。“MIC是浪潮在高性能計算應用方面重要的一個環節，浪潮正在積極開展相關方面的研究工作。GPGPU和MIC相比，前者給那些技術天才或程序員高手帶來了展示自己才華的機會，而后者，就相當于讓普通的人也能夠輕松地在MIC上進行編程。”