英特爾“核”動力加速中國石油勘探進程
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[時間: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)方法來勘測，其結(jié)果很不精確。由于油田在地下并不是以所謂“油�！钡男问酱嬖�，而是由一個個彼此隔離的“葡萄串”組成，因此在不夠精準的勘測結(jié)果面前，人們只能多鉆井進行嘗試，而且只有將油井鉆到一個儲有石油的“葡萄”頂部...
傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)方法和地球化學(xué)方法來勘測，其結(jié)果很不精確。由于油田在地下并不是以所謂“油�！钡男问酱嬖�，而是由一個個彼此隔離的“葡萄串”組成，因此在不夠精準的勘測結(jié)果面前，人們只能多鉆井進行嘗試，而且只有將油井鉆到一個儲有石油的“葡萄”頂部，才算是大功告成。然而，鉆井的費用高昂，每打一口油井，其花費往往都會達到上千萬甚至是上億元，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的地球物理方法，尤其是地震波法。
所謂地震波法，簡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)變成電子信號后可存儲為數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進行計算處理，人們就能清晰地摸擬出勘測區(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，因此這些海量數(shù)據(jù)的處理只有借助高性能計算機，才能在最短的時間內(nèi)完成，以實現(xiàn)最佳的勘探效益。
勘探領(lǐng)域的核心高性能計算應(yīng)用
與地震波法石油勘探相關(guān)的高性能計算應(yīng)用軟件，按計算性質(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)人士還將計算可視化(computation visualization)作為單獨的一類工作站應(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)模集群運算的并行版本。地震資料處理是典型的浮點計算密集型應(yīng)用，以求解數(shù)據(jù)密集的波動方程為主要計算模式，因此對浮點計算能力要求較高，對內(nèi)存帶寬的占用中等，對大量炮集的處理需要良好的多核擴展性。目前國內(nèi)自主開發(fā)的這一類軟件主要是采用PSTM疊前時間偏移和PSDM疊前深度偏移的算法，如中國石油東方地球物理公司（BGP）自主開發(fā)的GeoEast、中國石化南京石油物探研究所開發(fā)的iCluster等。在計算精度和復(fù)雜度上，國外主要廠商WesternGeco等已開始將RTM逆時偏移等消耗CPU資源更多、精度更高的偏移算法投入生產(chǎn)。國內(nèi)的中國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算為核心的地震資料處理軟件，油藏模擬對計算平臺的要求是需要支持稀疏矩陣方程的迭代求解，對內(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內(nèi)存帶寬高度敏感的計算密集應(yīng)用（見圖1）。
結(jié)合這兩大類石油勘探領(lǐng)域核心高性能計算應(yīng)用的特點，以及石油企業(yè)對于勘探業(yè)務(wù)計算任務(wù)執(zhí)行效率和成本的要求，不難看出，適用于這一領(lǐng)域的高性能計算解決方案，必須要具備以下幾個特性：具有強大的性能，特別是浮點計算性能、并行計算性能和內(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；符合開放的標準，軟硬件層面都有廣泛的合作伙伴支持。
英特爾高性能計算的“核”動力
在以上四項特性中，石油企業(yè)在系統(tǒng)選型時首先關(guān)注的就是前兩項，因為它們是其勘探業(yè)務(wù)實現(xiàn)高效率和低成本的基礎(chǔ)所在。針對這兩項特性，目前市場上提供了很多選擇，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。
英特爾為高性能計算提供的強大“核”動力——在技術(shù)上不斷進行創(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，每一次在高性能計算用處理器產(chǎn)品上的更新?lián)Q代，都能獲得性能和能效上的顯著提升，也會吸引更多高性能計算用戶、尤其是商業(yè)用戶的關(guān)注和采用。
細看最新的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®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®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)布不足三個月的至強®5500系列處理器這次也出現(xiàn)在了上榜系統(tǒng)中，運行地球物理應(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®5500系列處理器為英特爾高性能計算產(chǎn)品線帶來了前所未有的性能飛躍——至強®5500系列處理器不但借助全新的Nehalem微架構(gòu)實現(xiàn)了相當于至強5400系列處理器兩倍的計算性能，而且通過引入全新的英特爾®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)存帶寬在測試中也比上一臺平臺提高了4倍之多，這些指標加上它共享的大容量緩存設(shè)計，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2.54倍，應(yīng)用Eclipse算例），并使RTM/CRAM等對計算性能和內(nèi)存帶寬要求更高的算法成為實際可用的產(chǎn)品，從而推動石油勘探技術(shù)的應(yīng)用進入一個全新時代。
英特爾軟件調(diào)優(yōu)工具的附加價值
雖然英特爾創(chuàng)新的處理器產(chǎn)品是其高性能計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算領(lǐng)域競爭優(yōu)勢的全部力量。英特爾提供的一整套高性能軟件產(chǎn)品也是這個方案的重要組成部分和吸引客戶的法寶，因為它能讓客戶的應(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爭對手的同類產(chǎn)品相比沒有特別明顯的硬件性能優(yōu)勢時，客戶也很可能會繼續(xù)選擇英特爾的高性能計算解決方案。
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，多線程工具和應(yīng)用于高性能計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)高性能計算系統(tǒng)上運行的中間件和應(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、高性能計算中心及實驗室內(nèi)，并且發(fā)揮著越來越重要的作用。
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其高性能計算系統(tǒng)進行了調(diào)優(yōu)工作，并借此總結(jié)了大量寶貴經(jīng)驗。例如在石油勘探領(lǐng)域的高性能計算應(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，在處理集群整機架構(gòu)設(shè)計要根據(jù)地震資料應(yīng)用特點進行，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；又如客戶在對應(yīng)用程序本身進行優(yōu)化的時候，不能急于進入模型算法以及代碼級的調(diào)整，而是要先從程序的實現(xiàn)上從進程級到線程級提高并行性能等。
通過復(fù)制和分享這些經(jīng)驗，英特爾幫助很多石油企業(yè)優(yōu)化了他們的高性能計算系統(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榜單上名列中國第一的中石化勝利油田物探研究院用高性能計算系統(tǒng)，就是基于至強®處理器構(gòu)建，并使用英特爾軟件調(diào)優(yōu)工具針對LINPACK測試進行了優(yōu)化。
攜手產(chǎn)業(yè)伙伴加速中國石油勘探進程
值得一提的是，由于中國石油企業(yè)與中國其他行業(yè)客戶相比接觸高性能計算技術(shù)的時間較早，并對這種技術(shù)有很高的依賴度，因此它們也是英特爾在中國最為重視的高性能計算客戶群之一。為幫助中國的石油企業(yè)獲得更好的高性能計算應(yīng)用體驗，加速其石油勘探進程，進而提升它們的核心競爭力，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：一是提供世界先進水平的高性能計算系統(tǒng)——在英特爾的支持下，國內(nèi)外領(lǐng)先的高性能計算廠商為中國石油企業(yè)的勘探業(yè)務(wù)提供了眾多基于工業(yè)標準的至強®和安騰®處理器的高性能計算系統(tǒng)。通過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，以共同推動相關(guān)應(yīng)用軟件在英特爾架構(gòu)平臺上最大限度發(fā)揮其性能潛力，提高石油勘探的精度和效率。
三是支持高性能計算標準——英特爾與業(yè)界合作伙伴一道推動行業(yè)標準的建立，為高性能計算的發(fā)展打造開放的平臺。例如2008年12月18日，英特爾就與H3C、曙光、中科院計算技術(shù)研究所等9家合作伙伴共同發(fā)起建立了中國高性能計算機產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，以加速中國服務(wù)器及高性能計算機產(chǎn)業(yè)標準的制訂工作。
自進入中國高性能計算市場以來，英特爾就把支持中國石油企業(yè)及其他行業(yè)客戶更好地應(yīng)用高性能計算技術(shù)視為已任，它在為這些客戶提供解決方案的同時，也越來越注重與他們的直接交流和互動，以更多地了解他們在實際應(yīng)用高性能計算技術(shù)時遇到的各種復(fù)雜問題。通過收集這些來自客戶第一線的數(shù)據(jù)和反饋，英特爾將與合作伙伴進一步改良各項相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)，以實現(xiàn)中國整個高性能計算產(chǎn)業(yè)與客戶的長期共贏。
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