英特爾“核”動(dòng)力加速中國(guó)石油勘探進(jìn)程
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[時(shí)間:2009-08-21 《石油與裝備》 關(guān)注度:0]
摘要: 傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)方法和地球化學(xué)方法來(lái)勘測(cè)，其結(jié)果很不精確。由于油田在地下并不是以所謂“油海”的形式存在，而是由一個(gè)個(gè)彼此隔離的“葡萄串”組成，因此在不夠精準(zhǔn)的勘測(cè)結(jié)果面前，人們只能多鉆井進(jìn)行嘗試，而且只有將油井鉆到一個(gè)儲(chǔ)有石油的“葡萄”頂部...
傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)方法和地球化學(xué)方法來(lái)勘測(cè)，其結(jié)果很不精確。由于油田在地下并不是以所謂“油海”的形式存在，而是由一個(gè)個(gè)彼此隔離的“葡萄串”組成，因此在不夠精準(zhǔn)的勘測(cè)結(jié)果面前，人們只能多鉆井進(jìn)行嘗試，而且只有將油井鉆到一個(gè)儲(chǔ)有石油的“葡萄”頂部，才算是大功告成。然而，鉆井的費(fèi)用高昂，每打一口油井，其花費(fèi)往往都會(huì)達(dá)到上千萬(wàn)甚至是上億元，為提高石油勘探的能力和效率并降低其成本，石油企業(yè)很快就開始在勘探中采用了更為先進(jìn)的地球物理方法，尤其是地震波法。
所謂地震波法，簡(jiǎn)而言之就是用炸藥在地面激起人工地震波，這種地震波可傳入地下深處，并在碰到不同形態(tài)的巖層時(shí)形成不同的反射波，這些反射波經(jīng)地面的檢波器收集、轉(zhuǎn)變成電子信號(hào)后可存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，人們就能清晰地摸擬出勘測(cè)區(qū)域的地下地質(zhì)構(gòu)造，并找到那些存有石油或天然氣的巖層的精確位置。由于地震波法勘探收集的數(shù)據(jù)通常都以TB計(jì)，因此這些海量數(shù)據(jù)的處理只有借助高性能計(jì)算機(jī)，才能在最短的時(shí)間內(nèi)完成，以實(shí)現(xiàn)最佳的勘探效益。
勘探領(lǐng)域的核心高性能計(jì)算應(yīng)用
與地震波法石油勘探相關(guān)的高性能計(jì)算應(yīng)用軟件，按計(jì)算性質(zhì)可分為地震資料處理(seismic processing)和油藏模擬(reservoir simulation)兩大類，業(yè)內(nèi)人士還將計(jì)算可視化(computation visualization)作為單獨(dú)的一類工作站應(yīng)用加以歸類。
目前為石油行業(yè)客戶廣泛應(yīng)用的商用地震資料處理軟件有Paradigm的Geodepth和Focus、Western Geco的Omega、CGG的GeoCluster，這些應(yīng)用均為支持大規(guī)模集群運(yùn)算的并行版本。地震資料處理是典型的浮點(diǎn)計(jì)算密集型應(yīng)用，以求解數(shù)據(jù)密集的波動(dòng)方程為主要計(jì)算模式，因此對(duì)浮點(diǎn)計(jì)算能力要求較高，對(duì)內(nèi)存帶寬的占用中等，對(duì)大量炮集的處理需要良好的多核擴(kuò)展性。目前國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的這一類軟件主要是采用PSTM疊前時(shí)間偏移和PSDM疊前深度偏移的算法，如中國(guó)石油東方地球物理公司（BGP）自主開發(fā)的GeoEast、中國(guó)石化南京石油物探研究所開發(fā)的iCluster等。在計(jì)算精度和復(fù)雜度上，國(guó)外主要廠商WesternGeco等已開始將RTM逆時(shí)偏移等消耗CPU資源更多、精度更高的偏移算法投入生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)的中國(guó)石油東方地球物理公司等企業(yè)也開始嘗試Paradigm公司的CRAM共反射角偏移模塊（見表1）。
在油藏模擬類的應(yīng)用軟件方面，目前在全球范圍內(nèi)較為知名的有Landmark的VIP/Nexus和Schlumberger的Eclipse，國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品主要有大慶研究院的PRBS并行黑油模擬。不同于在算法上以頻譜計(jì)算為核心的地震資料處理軟件，油藏模擬對(duì)計(jì)算平臺(tái)的要求是需要支持稀疏矩陣方程的迭代求解，對(duì)內(nèi)存帶寬的要求非常高，并需要大緩存支持，因此這類軟件可歸為對(duì)內(nèi)存帶寬高度敏感的計(jì)算密集應(yīng)用（見圖1）。
結(jié)合這兩大類石油勘探領(lǐng)域核心高性能計(jì)算應(yīng)用的特點(diǎn)，以及石油企業(yè)對(duì)于勘探業(yè)務(wù)計(jì)算任務(wù)執(zhí)行效率和成本的要求，不難看出，適用于這一領(lǐng)域的高性能計(jì)算解決方案，必須要具備以下幾個(gè)特性：具有強(qiáng)大的性能，特別是浮點(diǎn)計(jì)算性能、并行計(jì)算性能和內(nèi)存子系統(tǒng)性能；擁有出色的能效表現(xiàn)和性價(jià)比；配備優(yōu)秀的軟件開發(fā)和調(diào)優(yōu)工具；符合開放的標(biāo)準(zhǔn)，軟硬件層面都有廣泛的合作伙伴支持。
英特爾高性能計(jì)算的“核”動(dòng)力
在以上四項(xiàng)特性中，石油企業(yè)在系統(tǒng)選型時(shí)首先關(guān)注的就是前兩項(xiàng)，因?yàn)樗鼈兪瞧淇碧綐I(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)高效率和低成本的基礎(chǔ)所在。針對(duì)這兩項(xiàng)特性，目前市場(chǎng)上提供了很多選擇，但最受歡迎的，還是基于英特爾處理器的解決方案。今年6月TOP500排行榜上43套針對(duì)地球物理應(yīng)用的上榜系統(tǒng)全部采用了英特爾處理器就是最佳例證。
英特爾為高性能計(jì)算提供的強(qiáng)大“核”動(dòng)力——在技術(shù)上不斷進(jìn)行創(chuàng)新和改良的英特爾處理器。自英特爾2006年推出采用酷睿微架構(gòu)的多核處理器以來(lái)，每一次在高性能計(jì)算用處理器產(chǎn)品上的更新?lián)Q代，都能獲得性能和能效上的顯著提升，也會(huì)吸引更多高性能計(jì)算用戶、尤其是商業(yè)用戶的關(guān)注和采用。
細(xì)看最新的TOP500榜單，基于英特爾處理器的399套上榜系統(tǒng)中有340套采用了四核英特爾®至強(qiáng)®處理器，其中又有263套系統(tǒng)配備的是英特爾去年發(fā)布的至強(qiáng)®5400系列處理器。這些數(shù)據(jù)尚在人們意料之中，真正令人感到意外的是，英特爾剛剛發(fā)布不足三個(gè)月的至強(qiáng)®5500系列處理器這次也出現(xiàn)在了上榜系統(tǒng)中，運(yùn)行地球物理應(yīng)用的上榜系統(tǒng)中就有兩套采用了英特爾這款最新的處理器。
英特爾至強(qiáng)®5500系列處理器為英特爾高性能計(jì)算產(chǎn)品線帶來(lái)了前所未有的性能飛躍——至強(qiáng)®5500系列處理器不但借助全新的Nehalem微架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于至強(qiáng)5400系列處理器兩倍的計(jì)算性能，而且通過(guò)引入全新的英特爾®快速通道互聯(lián)技術(shù)（Intel® Quickpath Technology）及集成內(nèi)存控制器，它的總體內(nèi)存帶寬在測(cè)試中也比上一臺(tái)平臺(tái)提高了4倍之多，這些指標(biāo)加上它共享的大容量緩存設(shè)計(jì)，使它更加適用于內(nèi)存帶寬敏感型的應(yīng)用。例如在石油勘探的應(yīng)用中，它就可明顯改善油藏摸擬類應(yīng)用的性能（提升達(dá)2.54倍，應(yīng)用Eclipse算例），并使RTM/CRAM等對(duì)計(jì)算性能和內(nèi)存帶寬要求更高的算法成為實(shí)際可用的產(chǎn)品，從而推動(dòng)石油勘探技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)全新時(shí)代。
英特爾軟件調(diào)優(yōu)工具的附加價(jià)值
雖然英特爾創(chuàng)新的處理器產(chǎn)品是其高性能計(jì)算解決方案的核心和基礎(chǔ)，但它卻并不是構(gòu)成英特爾在高性能計(jì)算領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的全部力量。英特爾提供的一整套高性能軟件產(chǎn)品也是這個(gè)方案的重要組成部分和吸引客戶的法寶，因?yàn)樗茏尶蛻舻膽?yīng)用在基于英特爾處理器的系統(tǒng)上獲得最大限度的性能提升。這種“附加階值“的誘惑力之大，以至于假如某一天英特爾的處理器與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的同類產(chǎn)品相比沒(méi)有特別明顯的硬件性能優(yōu)勢(shì)時(shí)，客戶也很可能會(huì)繼續(xù)選擇英特爾的高性能計(jì)算解決方案。
英特爾的高性能軟件產(chǎn)品，是由一組完整的工具產(chǎn)品組成，包括高性能編譯器，VTune® 可視化性能分析器，高性能函數(shù)庫(kù)，多線程工具和應(yīng)用于高性能計(jì)算的集群工具及工具包等等。這些軟件產(chǎn)品能幫助用戶調(diào)優(yōu)高性能計(jì)算系統(tǒng)上運(yùn)行的中間件和應(yīng)用軟件。目前，英特爾這套軟件產(chǎn)品已被成功應(yīng)用于全球很多知名的軟件公司、高性能計(jì)算中心及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，并且發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
為幫助客戶了解和用好這套軟件調(diào)優(yōu)工具，英特爾還與部分客戶一起對(duì)其高性能計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)優(yōu)工作，并借此總結(jié)了大量寶貴經(jīng)驗(yàn)。例如在石油勘探領(lǐng)域的高性能計(jì)算應(yīng)用調(diào)優(yōu)中，英特爾就發(fā)現(xiàn)了一些重要規(guī)律，如客戶在部署和優(yōu)化性能的時(shí)候必須遵循從系統(tǒng)到應(yīng)用再到微架構(gòu)的順序，在處理集群整機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)地震資料應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行，將應(yīng)用之外的系統(tǒng)影響調(diào)試到最優(yōu)狀態(tài)，才能開始考慮應(yīng)用本身的優(yōu)化；又如客戶在對(duì)應(yīng)用程序本身進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候，不能急于進(jìn)入模型算法以及代碼級(jí)的調(diào)整，而是要先從程序的實(shí)現(xiàn)上從進(jìn)程級(jí)到線程級(jí)提高并行性能等。
通過(guò)復(fù)制和分享這些經(jīng)驗(yàn)，英特爾幫助很多石油企業(yè)優(yōu)化了他們的高性能計(jì)算系統(tǒng)，讓他們用最小的成本投入換得了應(yīng)用性能的最大化提升。例如2008年6月TOP500榜單上名列中國(guó)第一的中石化勝利油田物探研究院用高性能計(jì)算系統(tǒng)，就是基于至強(qiáng)®處理器構(gòu)建，并使用英特爾軟件調(diào)優(yōu)工具針對(duì)LINPACK測(cè)試進(jìn)行了優(yōu)化。
攜手產(chǎn)業(yè)伙伴加速中國(guó)石油勘探進(jìn)程
值得一提的是，由于中國(guó)石油企業(yè)與中國(guó)其他行業(yè)客戶相比接觸高性能計(jì)算技術(shù)的時(shí)間較早，并對(duì)這種技術(shù)有很高的依賴度，因此它們也是英特爾在中國(guó)最為重視的高性能計(jì)算客戶群之一。為幫助中國(guó)的石油企業(yè)獲得更好的高性能計(jì)算應(yīng)用體驗(yàn)，加速其石油勘探進(jìn)程，進(jìn)而提升它們的核心競(jìng)爭(zhēng)力，英特爾正在與業(yè)界合作伙伴一道，從以下幾方面為他們提供助力：一是提供世界先進(jìn)水平的高性能計(jì)算系統(tǒng)——在英特爾的支持下，國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的高性能計(jì)算廠商為中國(guó)石油企業(yè)的勘探業(yè)務(wù)提供了眾多基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的至強(qiáng)®和安騰®處理器的高性能計(jì)算系統(tǒng)。通過(guò)使用這些開放體系架構(gòu)的處理器，石油行業(yè)客戶能以更合理的價(jià)格獲得擁有領(lǐng)先性能表現(xiàn)的系統(tǒng)，而不必受制于專有系統(tǒng)的封閉性。
二是攜手打造更為專業(yè)的應(yīng)用軟件，并提供出色的軟件調(diào)優(yōu)工具——英特爾與全球?qū)I(yè)石油勘探應(yīng)用軟件開發(fā)商及擁有開發(fā)能力的石油行業(yè)客戶有緊密的協(xié)作，以共同推動(dòng)相關(guān)應(yīng)用軟件在英特爾架構(gòu)平臺(tái)上最大限度發(fā)揮其性能潛力，提高石油勘探的精度和效率。
三是支持高性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)——英特爾與業(yè)界合作伙伴一道推動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立，為高性能計(jì)算的發(fā)展打造開放的平臺(tái)。例如2008年12月18日，英特爾就與H3C、曙光、中科院計(jì)算技術(shù)研究所等9家合作伙伴共同發(fā)起建立了中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，以加速中國(guó)服務(wù)器及高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。
自進(jìn)入中國(guó)高性能計(jì)算市場(chǎng)以來(lái)，英特爾就把支持中國(guó)石油企業(yè)及其他行業(yè)客戶更好地應(yīng)用高性能計(jì)算技術(shù)視為已任，它在為這些客戶提供解決方案的同時(shí)，也越來(lái)越注重與他們的直接交流和互動(dòng)，以更多地了解他們?cè)趯?shí)際應(yīng)用高性能計(jì)算技術(shù)時(shí)遇到的各種復(fù)雜問(wèn)題。通過(guò)收集這些來(lái)自客戶第一線的數(shù)據(jù)和反饋，英特爾將與合作伙伴進(jìn)一步改良各項(xiàng)相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)中國(guó)整個(gè)高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)與客戶的長(zhǎng)期共贏。
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