高油价呼唤高性能

　　水能变成油吗？有人称这完全是骗局，也有人在《科学》杂志上发表论文表示支持。不管怎样，“水变油”的争论仍将持续下去，因为伴随着时代的发展，人们对于能源的渴望也使愈发强烈。而正是在这样的渴望下，高性能计算成为人们寻找石油的重要抓手。

　　本报记者 汤铭

　　英国石油位于墨西哥湾的油井泄漏事件，已经造成了巨大的生态危机，为此美国相关科研组织专门利用高性能计算平台来预测本次泄漏事件所能造成的环境影响。这说起来多少有些尴尬，以往，高性能计算都是被人们用来寻找石油，而现在却要为石油泄露寻找解决方案。

　　一直以来，石油在现代工业体系中扮演的这种关键角色，促使石油企业将找到更多石油储藏视为首要任务。如何在地表数千米以下的地层中准确找到油田的位置，并且保证效率和投资回报率，这就需要强大的技术支持，而性能不断跃升、成本持续下降的高性能计算系统，就是今天它所需技术中必不可少的组成部分。特别是随着当前既有油田已经经过多年开采，使得勘探业务不得不向勘探条件更加困难的荒漠、海洋等地区扩展，使得作为重要支撑手段的高性能计算系统显得更加重要。

　　计算带来老油田第二春

　　1959年到2009年，大庆油田走过了自己辉煌的50年，累计生产原油超过20亿吨，还培育了大庆精神、铁人精神，为建立中国现代石油工业体系做出重要贡献。截至2009年年底，大庆油田全年生产原油超过4000万吨，这是大庆油田继原油5000万吨以上连续稳产27年后，又在原油4000万吨以上连续稳产7年。

　　为了让大庆油田这样的一个“老龄化”油田仍旧能够焕发出“又一春”，大庆油田面对油田进入特高含水开发期等世界级难题，一直在加快科技自主创新步伐，并通过将高性能计算应用到多学科一体化油藏研究平台，促进了精细地质研究与应用。

　　中国石油大庆油田公司勘探开发研究院总工程师张铁刚介绍说：“目前的勘探开发难题一般都不是单一学科所能解决的，往往需要多学科共同攻关。多学科的协同工作需要有满足多专业研究、跨专业协同、数据共享以及勘探决策功能为一体的软硬件环境。随着数字油田和智慧地球建设的逐步深入，地震勘探技术在地质研究中得到广泛应用，尤其是高精度三维地震勘探技术的应用提高了圈闭判别、储层识别和油藏精细描述的精度。勘探开发现场施工动态的实时跟踪，日常管理、监控和生产指挥融为一体，提高了工作效率，降低了生产成本。利用信息技术构建的多学科协同工作平台，实现了地震-钻井-测井-井场数据采集-室内综合分析等多种资料的融合。基于全盆地的三维地质模型，可以实现勘探部署和井位设计、油藏评价、储层精细描述和油藏数值模拟的全过程研究工作。”

　　张铁刚认为，高性能服务器和可视化技术的发展为油气勘探开发提供了一种全新的工作模式。它可以使地球物理家、地质家和油藏工程师根据复杂的数学模型、大量的数据资料，形成对复杂地质构造的快速计算和图形展示，建立数字化油田。据了解，大庆油田公司勘探开发研究院在处理一些密集型计算，例如地震波属性计算、地震波反演计算时，主要是通过工作站来计算。“工作站上做这样的计算，可能就是一两天时间，或者是十几个小时。而现在通过搭建基于至强7500的多路高性能计算平台，这些计算基本上没有超过1个小时的，效率能够提高30倍到50倍 。”张铁刚说，另一方面，由于计算软件的许可证费用都很昂贵，一个单位不可能配备很多。有了至强7500这样高效的计算平台，就能够在软件有限的前提小，大大提高计算效率。“过去你在工作站上同样也是买一个许可证，但是你计算可能要花一天的时间，而现在有了这样一个高性能的计算平台，我一天可能能算出十个方案，效率大大提高，而且投资回报率也就提升了。”

　　张铁刚表示，未来石油勘探开发会面临着愈来愈复杂的技术难题，特别是当像大庆油田这样需要面对如何解决老油田开发后期剩余油分布问题时，研究的目标、尺度发生了重大变化，对研究的精度也提出了更高的要求。

　　中国石油东方地球物理公司研究院处理中心总工程师赖能和也表示，随着全球油价持续高位运行，石油公司为了提高复杂区地质构造成像精度，提高勘探开发效益，减少风险，所以加大了地震叠前偏移处理技术应用力度，这也就为高性能计算在石油行业大规模应用带来了驱动因素。

　　计算还需高效和绿色

　　中国石油东方地球物理公司研究院（下称BGP）拥有亚洲最大的地震资料处理中心，近年来为国内多个油田勘探突破提供了良好的数据基础。BGP正在将由单一陆上地震采集业务扩展到海上勘探、处理解释、非地震勘探、井间地震、地质油藏研究和多用户勘探等业务，目前BGP完成的中国石油勘探开发公司三维采集量占总工作量比例已经由过去的10%上升到目前的21%。

　　作为东方地球物理公司研究院处理中心的总工程师，赖能和想到的更多是业务发展背后所暗藏的问题。“经过7年的大规模生产应用实践证明，庞大的软硬件资源，创造了可观的经济效益和市场效益，但在实际应用中也出现一些新问题， 例如CPU利用率不高问题，存储性能与数据安全的问题，以及高能耗和随之而来的高制冷成本的问题。”

　　通过对影响CPU利用率的因素进行分析，赖能和带领团队通过优化改造内存、接口、网络连接方式等硬件配置，以及建立目标线偏移系统与共享存储池，合理配置作业CPU资源，有效地提高了CPU运行效率。

　　赖能和透露，趁着去年市场上内存价格一路下跌，他们扩容了计算设备的内存容量。“这样做，并不是单单为了贪图价格便宜，而是我们经过研究发现，节点内存对日常工作中计算效率影响非常大。曾经在一个计算项目中，分别用8GB和16GB内存升级前后运行RTM，其CPU效率甚至大幅提升了7倍以上。”

　　石油勘探过程中，会产生大量的地震波数据，如何在CPU计算能力不断提升的同时，保证数据存储性能不会成为计算过程中的短板，也成为了BGP在过去花费了大量时间进行攻关的重要课题。

　　“普通的NFS远程网络文件系统，读写速度只能打到每秒30MB左右，为了打破这个速度上的限制，我们利用并行文件系统，例如StorNext、GPFS、Lustre等，增加了I/O的聚合带宽，读写速度打到了过去NFS系统的数倍。”赖能和说，除此之外BGP还通过合理使用RAID组硬盘数量，来提高存储性能。并且通过采用新的NAS存储技术， 进一步提高CPU利用率。

　　数据对于BGP而言，可以说就是核心资源，如何有效地保护如此庞大的数据，让数据不会因为丢失、破坏等原因而变成无用的数字就成了他们需要时刻关注的问题。

　　“通过建立VTL数据备份系统，我们提高了数据安全性。”赖能和说，“我们把数字化管理平台与备份软件、CGGVeritas系统整合成了一套自动的备份系统，这样就大大提高数据安全性。而且统一的管理平台，使得备份资源可控，处理人员的劳动强度也进一步下降，数据备份效果大大提高。”

　　数据中心节能是近年来企业IT部门共同关注的问题，具体到石油行业高性能计算领域，不管是供应商还是用户，对节能和功耗控制表示了极大的关注。而BGP也一直在高性能计算节能方面做着努力，据赖能和介绍，BGP对通过采用栅格地板等方式，将冷风通道改为下出风，直接对设备进行吹风制冷，使得1200平米的计算中心机房一年内能够节省了60多万元电费。赖能和还进一步透露，目BGP正在规划建设一个模块化的数据中心，其中包括有大约1000平米会的高密度机房。而这一新机房将会采用全封闭式的水冷制冷系统，从而打到更加节能的效果。

　　英特尔的相关技术人员也向《计算机世界》者表示，高功耗绝对不是绿色的，但低性能同样不是绿色高性能计算要追求的目标，应该从多个层次来衡量绿色的高性能计算。在绿色高性能计算中心建设中，与之相对应的具体措施就包括： 改善制冷风道设计、改善UPS电源转换，或是采取一些创新设计，例如采用直流供电、直接外部散热手段。

　　期待百亿亿次时代

　　根据近几年高性能计算Top500排行榜的数据，有关地球物理研究的高性能计算系统的数目能占到全部榜单中的前三甲。只要，人们对于石油的依赖仍旧如此抢来，越来越多的高性能计算系统用于石油勘探领域是不可阻挡的潮流。赖能和就预测，未来3年，BGP用于地震数据处理的CPU+GPU核数至少需要增加2倍。到2010年底，BGP所拥有的CPU总核数将达到40000个，运算能力达380万亿次/秒，磁盘规模达5PT。到2015年底，CPU总核数将达到8000个，运算能力达1000万亿次/秒，磁盘规模达12PT。

　　英特尔能源及高吞吐计算团队高级主管工程师菲利普？蒂埃里也表示，由于石油勘探行业用户主要应用高性能计算机进行地震数据叠前时间和深度偏移等海量数据计算，其计算时间视计算规模不同最多可达几十天，因此用户对高性能计算提出了非常苛刻的要求。“自从上个世纪七十年代开始，石油勘探等地球物理研究通过建模、数据获取进行地质断层分析。随着成像模式的改进，地球物理也逐渐从2D成像(如2D WEM、2D RTM等)演进到现金的3D成像模式，而3D成像模式对于后台的计算要求非常高。未来十年间，随着地震成像技术的发展，从基于声波的逆时偏移RTM和3D FWI全波形反演向基于弹性波的时偏移RTM和3D FWI全波形反演，所需要的计算资源将会扩大1000倍。”

　　对于当前高性能计算领域所关注的百亿亿次问题，菲利普？蒂埃里坦言，石油勘探领域的高性能计算应用虽然会由于越来越复杂的地质环境，而面临更加复杂的模型和计算，但是是否在短期内达到百亿亿次的计算规模，还是个未知数。“而且受到能耗和编程模式的影响，如果要将应用扩展到百亿亿次这个规模上去，还需在多个领域进行进一步的探索。但是有一点是可以肯定的，石油行业对于高性能计算的需求与日俱增，百亿亿次的到来将‘水涨船高’地让石油行业获益。”

　　英特尔品牌与市场策略经理顾凡向记者表示，针对未来包括石油勘探领域在内的高性能计算需求和应用的发展趋势及特点，英特尔已经开始了新一轮的创新。“不久前，英特尔就已经宣布计划推出基于英特尔集成众核（MIC）架构的全新产品。这种架构有助于轻松打造每秒万亿次计算的平台，同时使用户继续享受英特尔至强处理器的优势。”

　　据了解，英特尔为此计划推出的首款相关产品（研发代号：Knights Corner）将主要面向勘探、科学研究以及金融或气象模拟等高性能计算领域。从 2010 年下半年开始，英特尔将进一步扩展该项目范围，以打造一系列支持MIC架构的开发工具。“MIC架构产品和新的至强处理器采用的通用软件开发工具和优化技术将支持多种编程模式，这些编程模式将为包括石油勘探领域在内的科学家、研究者和工程师们带来前所未有的计算性能，帮助他们加快探索世界的步伐，同时还可以保护他们现有的软件投资。”

　　英特尔亚太研发有限公司中国创新团队平台架构师何万青博士向记者表示，英特尔已经开始围绕MIC架构展开一些前期准备工作。“现在我们正在与一些比较前沿的客户进行沟，其中就包括国内石油行勘探行业的客户，我们希望能够在应用软件方面进行合作，正在进行相关方面的准备。”

　　背景资料

　　石油勘探中的地球物理方法

　　所谓地球物理方法，是使用现代物理方法和新成果进行地质勘探的方法，它包括了电法，磁法，重力法，放射性法，地震波法等等，对石油勘探来说，尤以地震波法最为重要。地震波法勘探石油储藏是现代石油勘探最基本的方法，因为，只有地震波才能穿透厚达几千米的岩层.提供石油可能埋藏的信息和数据。

　　地震波法的原理并不困难，基本办法是用高爆炸力的TNT炸药在地面激起人工地震波，震波沿着与地面垂直的方向传播，在碰到质地相对致密的岩层以后，一部分波被反射回地面，预先，在地面上安置起许多呈现点阵的检波器，这些检波器能够把地面微弱的震动变成电子信号，通过连接线传输到接收机里，接收机的功能是分道记录不同位置的检波器的电信号，早期是用把经过自动增益控制的放大的电流随时间的进程记录在照相纸上，最近三十年来已经使用模拟和数字法把信号记录在各类存储器上。

　　记录在载体上的地震波信号是一道道衰减的波浪，他们相互之间随位置的移动，其波峰和波谷逐渐变化，一个特征是，当出现了某一岩层的明显反射时，相邻的波峰或波谷会形象地叠合在一起.这样，如果沿着几条线逐渐放炮(激励地震波)，并逐渐布置检波器阵列.则在拼合起来的记录上，可以看见这些波峰形成了一道墙，有时墙呈现出下凸的弧形，甚至在这条弧形线的下面还有一根上凹的弧形线，这就意味着两条组成如“眼睛“状的弧形线之间的岩层可能是封闭的。这个时候，需要在与刚才那根地面侧线的垂直方向上再布置几条平行的侧线，看一看在同样的深度附近，会不会出现类似的两条眼状弧形线？如果证实确实也有，那么，在这个地区的地下深层，存在一个穹隆形的构造，它有可能是储藏石油的地方。

　　为了精确测定深度，还需要对记录上的墙出现的位置(它的横坐标是按时间，即毫秒作计量单位的，其原点表示爆炸发生时那一瞬间)，这就需要把时间量度转换为距离量度。一种办是使用纵波传播的速度和时间的乘积，另一种办法就是按照时间差一定的传播轨迹应满足双曲线的规律，这样的转换被称为“归位“，经过归位运算以后的的地震反射波各点就是实际深度了.这样只需要精确地计下眼睛状曲线的各点，就能较为准确地圈定地下可能的储藏石油构造的位置和深度了。