英特尔高性能计算 加速中国石油勘探进程

　　就像人体组织的存活离不开血液一样，现代化工业的发展也离不开石油，这种被人们誉为“黑色黄金”的自然资源不但可提炼出各种交通工具及机械必需的燃料，它还是服装、药物、塑料制品等多种日用物品的重要工业原料。它的供应充足与否、乃至价格的每一丝波动，都可能左右全球经济形势的变化。回顾第二次世界大战结束至今西方国家遭遇的经济危机，多数都与石油价格剧烈波动有关，如于上世纪70年代爆发的两次危机就是由石油减产、油价暴涨直接引发，因此被人们称为“石油危机”。

 
1947年至2007年全球原油价格走势图

　　石油在现代工业体系中扮演的这种关键角色，以及它不可再生和短期内难以被其他资源取代的特点，促使石油企业将找到更多石油储藏视为首要任务，具体担负这一重任的，则是它们旗下的石油勘探业务。这项业务的目标，就是要在地表数千米以下的地层中找到油田的位置，其效率和投资回报率的提升，往往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。

　　在高性能计算商业化趋势的推动下，为勘探业务大规模布署和应用高性能计算已成为当今石油企业的共识，而许多石油石化企业在系统选型时，都非常青睐英特尔基于开放架构，拥有出色性价比，并整合了硬件、软件及技术支持的高性能计算解决方案。在2008年6月公布的全球高性能计算机TOP500排行榜上，即有多台基于英特尔处理器的石油企业用高性能计算系统上榜，包括当时性能在全球行业用户和中国上榜系统中分别排名第一的法国道达尔勘探及中国石化胜利油田物探研究院应用的高性能计算系统。在今年6月23日刚刚发布的最新一期TOP500排行榜中，所有运行地震监测及石油勘探关键应用——地球物理类应用的43套上榜系统也都是基于英特尔处理器构建。这些成绩的获取，皆源于英特尔在高性能计算技术上的持续创新、对石油行业发展趋势的深刻洞察以及与IT产业中多方合作伙伴的通力协作。

　　高性能计算如何助力石油勘探

　　在说明英特尔高性能计算解决方案对石油企业的价值之前，可能有人希望了解石油勘探为何会与高性能计算结缘，因为在很多人的印象中，找石油通常是要先行勘测出一片地下可能储有石油的区域，然后再在这个区域内打许多口井，并查看到底哪口井能够出油。在这个过程中，有什么环节需要高性能计算支持呢?

　　其实，人们认识中的这种石油勘探作业方式，今天早已过时。这种方式通常使用的是传统的地质学方法和地球化学方法来勘测，其结果是很不精确的。由于油田在地下并不是以所谓“油海”的形式存在，而是由一个个彼此隔离的“葡萄串”组成的，因此在不够精准的勘测结果面前，人们只能多钻井进行尝试，而且只有将油井钻到一个储有石油的“葡萄”顶部，才算是大功告成。然而，钻井的费用是非常高昂的，每打一口油井，其花费往往都会达到上千万甚至是上亿元，为提高石油勘探的能力和效率并降低其成本，石油企业很快就开始在勘探中采用了更为先进的地球物理方法，尤其是地震波法。

　　所谓地震波法，简而言之就是用炸药在地面激起人工地震波，这种地震波可传入地下深处，并在碰到不同形态的岩层时形成不同的反射波，这些反射波经地面的检波器收集、转变成电子信号后可存储为数据，通过对这些数据进行计算处理，人们就能清晰地摸拟出勘测区域的地下地质构造，并找到那些存有石油或天然气的岩层的精确位置。由于地震波法勘探收集的数据通常都以TB计，因此这些海量数据的处理只有借助高性能计算机，才能在最短的时间内完成，以实现最佳的勘探效益。

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　　石油勘探领域的核心高性能计算应用

　　与地震波法石油勘探相关的高性能计算应用软件，按计算性质可分为地震资料处理(seismic processing)和油藏模拟(reservoir simulation)两大类，另外业内人士还将计算可视化(computation visualization)作为单独的一类工作站应用加以归类。

                                   目前石油企业在勘探业务中使用的高性能计算应用软件

　　目前为石油行业客户广泛应用的商用地震资料处理软件有Paradigm的Geodepth和Focus、Western Geco的Omega、CGG的GeoCluster，这些应用均为支持大规模集群运算的并行版本。地震资料处理是典型的浮点计算密集型应用，以求解数据密集的波动方程为主要计算模式，因此对浮点计算能力要求较高，对内存带宽的占用中等，对大量炮集的处理需要良好的多核扩展性。目前国内自主开发的这一类软件主要是采用PSTM叠前时间偏移和PSDM叠前深度偏移的算法，如中国石油东方地球物理公司(BGP)自主开发的GeoEast、中国石化南京石油物探研究所开发的iCluster等。在计算精度和复杂度上，国外主要厂商WesternGeco等已开始将RTM逆时偏移等消耗CPU资源更多、精度更高的偏移算法投入生产。国内的中国石油东方地球物理公司等企业也开始尝试Paradigm公司的CRAM共反射角偏移模块。

　　在油藏模拟类的应用软件方面，目前在全球范围内较为知名的有Landmark的VIP/Nexus和Schlumberger的Eclipse，国内自主开发的相关产品主要有大庆研究院的PRBS并行黑油模拟。不同于在算法上以频谱计算为核心的地震资料处理软件，油藏模拟对计算平台的要求是需要支持稀疏矩阵方程的迭代求解，对内存带宽的要求非常高，并需要大缓存支持，因此这类软件可归为对内存带宽高度敏感的计算密集应用。

 
利用高性能计算摸拟油藏分布图

　　结合这两大类石油勘探领域核心高性能计算应用的特点，以及石油企业对于勘探业务计算任务执行效率和成本的要求，不难看出，适用于这一领域的高性能计算解决方案，必须要具备以下几个特性：

　　·具有强大的性能，特别是浮点计算性能、并行计算性能和内存子系统性能;

　　· 拥有出色的能效表现和性价比

　　· 配备优秀的软件开发和调优工具

　　· 符合开放的标准，软硬件层面都有广泛的合作伙伴支持

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　　英特尔高性能计算的“核”动力

　　在以上四项特性中，石油企业在系统选型时首先关注的就是前两项，因为它们是其勘探业务实现高效率和低成本的基础所在。针对这两项特性，目前市场上提供了很多选择，但最受欢迎的，还是基于英特尔处理器的解决方案。今年6月TOP500排行榜上那43套针对地球物理应用的上榜系统全部采用了英特尔处理器就是最佳例证。

　　石油行业客户之所以在性能、能效和性价比的综合考量中倾向于选择基于英特尔处理器的高性能计算系统，根本原因就在于英特尔为高性能计算提供的强大“核”动力——在技术上不断进行创新和改良的英特尔处理器。自英特尔2006年推出采用酷睿微架构的多核处理器以来，它每一次在高性能计算用处理器产品上的更新换代，都能获得性能和能效上的显著提升，也会吸引更多高性能计算用户、尤其是商业用户的关注和采用。这一变化在近几年发布的TOP500排行榜上表现得非常清晰——在2007年6月发布的TOP500榜单上，基于英特尔处理器的系统数量当时只占据了所有上榜系统数量的57.8%(共289套)，但2007年11月时，这一比例就达到了70.08%(共354套)，2008年6月时它增长到了75%(共375套)，2008年11月又升至75.8%(共379套)，而在本月最新发布的TOP500榜单上，它则写下了79.8%的新记录(共399套)，只差一套即可达到80%。

 
2000年6月-2009年6月TOP500排行榜中基于英特尔处理器的系统数量演变图

　　细看最新的TOP500榜单，基于英特尔处理器的399套上榜系统中有340套采用了四核英特尔®至强®处理器，其中又有263套系统配备的是英特尔去年发布的至强® 5400系列处理器。这些数据尚在人们意料之中，真正令人感到意外的是，英特尔刚刚发布不足三个月的至强® 5500系列处理器这次也出现在了上榜系统中，运行地球物理应用的上榜系统中就有两套采用了英特尔这款最新的处理器。

　　英特尔至强® 5500系列处理器为何能在如此短的时间内获得客户的青睐及实际应用?答案就在于它为英特尔高性能计算产品线带来了前所未有的性能飞跃——至强® 5500系列处理器不但借助全新的Nehalem微架构实现了相当于至强5400系列处理器两倍的计算性能，而且通过引入全新的英特尔®快速通道互联技术(Intel® Quickpath Technology)及集成内存控制器，它的总体内存带宽在测试中也比上一台平台提高了4倍之多，这些指标加上它共享的大容量缓存设计，使它更加适用于内存带宽敏感型的应用。例如在石油勘探的应用中，它就可明显改善油藏摸拟类应用的性能(提升达2.54倍，应用Eclipse算例)，并使RTM/CRAM等对计算性能和内存带宽要求更高的算法成为实际可用的产品，从而推动石油勘探技术的应用进入一个全新时代。

　　英特尔®至强®5500系列处理器中采用的另外两项重要技术——英特尔®智能加速技术(Intel® Turbo Boost Technology)和英特尔®超线程技术(Intel® Hyper-Threading Techology)也对高性能计算领域的应用性能提升大有裨益，同样以石油勘探的应用为例，前者通过对处理器的超频，可为时钟频率敏感型的地震资料处理类应用提供额外的浮点性能，后者则能为线程设计良好的应用软件带来性能上的倍速提升。

　　上述这些性能闪光点，再加上由开放架构赋予的出众性价比、由45纳米制程技术和英特尔®智能节能技术(Intel® Intelligent Power Technology)实现的节能特性，使至强® 5500系列处理器自然而然地成为了高性能计算用户的新宠，有业内人士甚至预测道：到今年11月下一期TOP500榜单公布之际，人们很可能会看到更多基于至强® 5500系列处理器的上榜系统。

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　　英特尔软件调优工具的附加价值

　　虽然英特尔创新的处理器产品是其高性能计算解决方案的核心和基础，但它却并不是构成英特尔在高性能计算领域竞争优势的全部力量。英特尔提供的一整套高性能软件产品也是这个方案的重要组成部分和吸引客户的法宝，因为它能让客户的应用在基于英特尔处理器的系统上获得最大限度的性能提升。这种“附加阶值“的诱惑力之大，以至于假如某一天英特尔的处理器与竞争对手的同类产品相比没有特别明显的硬件性能优势时，客户也很可能会继续选择英特尔的高性能计算解决方案。

　　英特尔的高性能软件产品，是由一组完整的工具产品组成，包括高性能编译器，VTune™ 可视化性能分析器，高性能函数库，多线程工具和应用于高性能计算的集群工具及工具包等等。这些软件产品能帮助用户调优高性能计算系统上运行的中间件和应用软件。目前，英特尔这套软件产品已被成功应用于全球很多知名的软件公司、高性能计算中心及实验室内，并且发挥着越来越重要的作用。

　　为帮助客户了解和用好这套软件调优工具，英特尔还与部分客户一起对其高性能计算系统进行了调优工作，并借此总结了大量宝贵经验。例如在石油勘探领域的高性能计算应用调优中，英特尔就发现了一些重要规律，如客户在部署和优化性能的时候必须遵循从系统到应用再到微架构的顺序，在处理集群整机架构设计要根据地震资料应用特点进行，将应用之外的系统影响调试到最优状态，才能开始考虑应用本身的优化;又如客户在对应用程序本身进行优化的时候，不能急于进入模型算法以及代码级的调整，而是要先从程序的实现上从进程级到线程级提高并行性能等。

　　通过复制和分享这些经验，英特尔帮助很多石油企业优化了他们的高性能计算系统，让他们用最小的成本投入换得了应用性能的最大化提升。例如2008年6月TOP500榜单上名列中国第一的中石化胜利油田物探研究院用高性能计算系统，就是基于至强®处理器构建，并使用英特尔软件调优工具针对LINPACK测试进行了优化。

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　　携手产业伙伴 加速中国石油勘探进程

　　秉承“与中国共成长”的长远发展战略，顺应高性能计算商用化的趋势，英特尔一直致力于与中国IT产业合作伙伴一同为中国行业客户提供最优化的高性能计算解决方案。在本月发布的最新TOP500排行榜上，来自中国的21套上榜系统中就有20套是采用了英特尔的处理器，这一数据足以说明国内用户对于英特尔解决方案的信赖。

　　值得一提的是，由于中国石油企业与中国其他行业客户相比接触高性能计算技术的时间较早，并对这种技术有很高的依赖度，因此它们也是英特尔在中国最为重视的高性能计算客户群之一。为帮助中国的石油企业获得更好的高性能计算应用体验，加速其石油勘探进程，进而提升它们的核心竞争力，英特尔正在与业界合作伙伴一道，从以下几方面为它们提供助力：

　　· 提供世界先进水平的高性能计算系统——在英特尔的支持下，国内外领先的高性能计算厂商为中国石油企业的勘探业务提供了众多基于工业标准的至强®和安腾®处理器的高性能计算系统。通过使用这些开放体系架构的处理器，石油行业客户能以更合理的价格获得拥有领先性能表现的系统，而不必受制于专有系统的封闭性。

　　· 携手打造更为专业的应用软件，并提供出色的软件调优工具——英特尔与全球专业石油勘探应用软件开发商及拥有开发能力的石油行业客户有紧密的协作，以共同推动相关应用软件在英特尔架构平台上最大限度发挥其性能潜力，提高石油勘探的精度和效率。

　　· 支持高性能计算标准——英特尔与业界合作伙伴一道推动行业标准的建立，为高性能计算的发展打造开放的平台。例如2008年12月18日，英特尔就与H3C、曙光、宝德、信产部软件与集成电脑促进中心、中科红旗、中科院计算技术研究所及中兴通讯等9家合作伙伴共同发起建立了中国高性能计算机产业联盟，以加速中国服务器及高性能计算机产业标准的制订工作。

　　自进入中国高性能计算市场以来，英特尔就把支持中国石油企业及其他行业客户更好地应用高性能计算技术视为已任，它在为这些客户提供解决方案的同时，也越来越注重与他们的直接交流和互动，以更多地了解他们在实际应用高性能计算技术时遇到的各种复杂问题。通过收集这些来自客户第一线的数据和反馈，英特尔将与合作伙伴进一步改良各项相关产品和技术，以实现中国整个高性能计算产业与客户的长期共赢。