方正高性能计算机在中油恒泰公司的应用

    前言

    早先，为适应一些领域大规模或者矢量计算的需要，人们研制了“超级计算机”，它在一个计算机系统中“集成”了几十甚至上百颗CPU，并通过复杂的内部机制来保障它们的协同工作，比如NUMA、MPP、矢量计算机等等。

    现在，更为流行的做法是利用可方便商业化的开放式“集群”技术构建类似MPP系统。于是，计算机高性能计算（High Performance Computing，HPC）一词应运而生。事实上，HPC成功解决了世界上一些最为复杂和艰巨的计算难题，并已在气象建模、模拟撞车试验、人体基因绘图以及核爆炸模拟等多个重要领域得到广泛应用。

    石油勘探离不了高性能计算

    高性能计算机在石油工业中的应用非常广泛，主要表现在科学计算、图象处理、人工智能、勘探开发数据库建立等方面，其原因在于石油行业中的数据处理非常困难和庞杂。就拿最为直接的“找油”工作来说。在油田区找油打井，一般采用三维地震勘探的办法：先在地面放炮，通过仪器测量地面震动反射波的情况，把采集所获得的地震波在地层中传播的运动学和动力学信息进行去伪存真处理，转化为地质信息，经过计算分析，反推出地下的生油、储油、盖层的地质构造特点，再确定在哪里打井。看似简单明了的逻辑推理过程，但这一反射波数据是多层、三维的，如此全面庞大的数据还需经过大量的微积分处理，这些都与气象模拟有异曲同工之处。

    所以说，地震勘探方法的核心就是对地震波数据的采集、处理和分析，最后得到一个地质构造的三维模型。而在整个过程里，数据处理的难度最大，也最为关键。举例来说，对100平方公里进行地震勘探，通常要在地面放3、4万炮，根据地面的复杂程度，有时甚至7、8万炮。每一炮要取120道~480道信息，（一般每道有1500个采样点，通过检波器检测地下震动反射波，按不同方向和一定时间间隔得出声波空间分布信息），组成阵列，按照弹性力学等各种原理进行积分之类的复杂运算。100平方公里的数据一般有30G~60G，如果我们只是用每秒1亿次浮点运算能力的计算机进行数据处理，仅仅是把这些数据做一次积分的建模运算，大约就需要6年的时间。

    显然，石油勘探行业的特性决定了其对高性能计算的必然需求。

    方正高性能计算方案

    方正高性能计算机是一个基于IA和LINUX地多服务器平台架构。整个并行计算系统包含一个根节点和多个计算节点，通过标准的千兆以太网络联接形成一个单一镜像系统。其中的结点配置为：两颗处理器至强CPU、1G内存、18G硬盘。整个系统如下图所示：

    从应用者的角度分析，方正高性能计算机系统具有几大特点。

    首先，其整个高性能集群系统就类似于一个大的MPP系统。使用者可以方便地管理、运行应用；
其次，它采用了MPI（LAM/MPICH）作为并行计算环境。MPI是并行计算机的消息传递接口标准。比起PVM，MPI更模块化，更易于扩展和管理；

    第三，方正高性能计算机的体系结构进一步保障了其具有高可用性、高可扩展性和高可管理性。方正HPC产品是一种松耦合的体系结构，一个计算节点的失效并不影响整个集群的整体，工作负载会被自动分配到其余的计算节点上。方正HPC产品可以很方便的增加或减少节点的数量，以适应用户需求，每一个计算节点也可容易地扩充内存和存储的容量。方正HPC产品提供了强有力的管理监控工具对集群系统进行系统管理、作业管理以及状态监控，包括CPU、内存、网络资源的占用情况等尽收管理者眼底。

    实施效果

    北京中油恒泰地球物理勘探技术有限公司，其前身是创建于1997年的北京恒泰伟业地球物理研究中心，现隶属于恒泰伟业能源集团公司，于2001年注册于北京海淀区高新技术开发区。恒泰公司是一个致力于地震数据处理解释、新技术开发和提供石油勘探开发服务的高新技术公司。

    恒泰公司具有众多的专业技术服务优势，而这些优势都得益于其先进的高性能计算环境的搭建。举例来说，国内公司十几年来一直沿袭传统的叫做“三维叠后时间偏移”的方法，而近几年流行的是“三维叠前深度偏移”方法。这一数据处理方法去除了因地震波在地下传输时折射产生的误差。简单说，两种方法的结果就是地下构造深度成像的准确度、清晰度、信噪比明显不同。但为什么10年前就被学术界推导出来的“三维叠前深度偏移”方法却应用缓慢呢？主要原因就是计算能力的限制。有专家指出，两者仅因为叠加的先后不同，就可能使运算量相差30~90倍，由此也要求公司大大增加计算设备的投入。

    恒泰公司表示，借助方正高性能计算机，他们成功安装了最具发展潜力、较高性能价格比的集群硬件系统和配套的叠前/叠后时间/深度偏移软件。恒泰公司甚至已经拥有最新研制的炮域波动方程叠前时间/深度偏移软件，极大地增强了目标处理能力。炮域波动方程叠前深度偏移是全波场波动方程偏移，适用于更复杂的速度场变化及盐丘和各种复杂方位角的变化情况，尤其是陆地资料，成像效果与积分法相比，有较大程度的改善。以前，由于其运算量更为巨大，应用起来似乎不经济。但随着方正高性能计算机的全面引进，PC集群的高性能和低价格，使得炮域波动方程叠前深度偏移变得经济实用。除此之外，方正高性能服务器还凭借其卓越的“可管理性”、“可扩展性”等，为用户带来了高效、安全的科学计算环境。

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