□ 姚秋明 楊祥森

地球物理技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，高度依賴于包括高性能計(jì)算技術(shù)在內(nèi)的信息技術(shù)，因而促使高性能計(jì)算技術(shù)在地球物理行業(yè)的應(yīng)用不斷發(fā)展，應(yīng)用規(guī)模與領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，技術(shù)與產(chǎn)品不斷升級(jí)。2000年以來，集群計(jì)算技術(shù)得到了飛速發(fā)展，帶來了地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平臺(tái)的又一次更新?lián)Q代，集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本上已經(jīng)成為目前地震數(shù)據(jù)處理的唯一主流平臺(tái)。

將并行計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)品應(yīng)于地震偏移成像計(jì)算

近年來，集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配置規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，大型地震數(shù)據(jù)處理中心的集群系統(tǒng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到上千個(gè)甚至數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算能力普遍從百億次級(jí)規(guī)模提高到目前的數(shù)萬億至數(shù)十萬億次規(guī)模。計(jì)算能力的提高，為地震偏移成像技術(shù)的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)，提高了地震資料處理的質(zhì)量，也大大縮短了處理周期。

石油物探技術(shù)研究院積極貼近生產(chǎn)，致力于勘探開發(fā)領(lǐng)域新技術(shù)的發(fā)展，在主推的產(chǎn)品線iCluster地震偏移成像軟件系統(tǒng)中大量運(yùn)用流行的并行計(jì)算技術(shù)，促進(jìn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件的快速升級(jí)。

并行計(jì)算技術(shù)與產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到可以應(yīng)用于地震偏移成像計(jì)算的程度，而推動(dòng)這一工作進(jìn)程的關(guān)鍵是軟件的開發(fā)與移植工作。物探院經(jīng)過認(rèn)真調(diào)研分析，組織成立“面向千萬億次計(jì)算機(jī)的石油勘探地震成像系統(tǒng)”攻關(guān)項(xiàng)目組，制定出并行計(jì)算技術(shù)的方針，從最初的串行算法分析優(yōu)化，到邏輯拆分為并行計(jì)算，再到并行計(jì)算的效率優(yōu)化以及最后的計(jì)算結(jié)果分析。他們加大項(xiàng)目組內(nèi)部交流，加強(qiáng)與千萬億次高效能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制課題組、基礎(chǔ)算法庫與并行算法庫課題組以及其他應(yīng)用課題組之間的交流，通過交流及時(shí)了解信息、掌握技術(shù)、交流經(jīng)驗(yàn)，充分利用項(xiàng)目組內(nèi)部資源提高工作效率。

吊裝鉆探設(shè)備。范明攝

突破制約并行技術(shù)效能提升的“瓶頸”

iCluster地震偏移成像軟件系統(tǒng)最早采用的并行化方案是基于MPI（多點(diǎn)接口）實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)間的并行，后來在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，MPI在節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)通訊的開銷，嚴(yán)重影響了并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，成為了制約并行化整體效能提升的“瓶頸”。為了解決這個(gè)問題，物探院組織技術(shù)專家多次討論，設(shè)計(jì)“進(jìn)程+線程”的多層次并行編程模型，該編程模型很好地映射了多處理器計(jì)算機(jī)組成的集群體系結(jié)構(gòu)，采用MPI與多線程的多層次并行編程模型，能有效地挖掘其并行計(jì)算潛力?，F(xiàn)今，他們已實(shí)現(xiàn)了波動(dòng)方程疊前深度偏移（PSDM）、基于Kirchhoff積分法的真地表疊前深度偏移（KPSDM）和基于Kirchhoff積分法的疊前時(shí)間偏移（KPSTM）三個(gè)模塊在天河一號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的軟件移植與性能優(yōu)化，測(cè)試性能良好，具備良好的并行線性加速比，實(shí)現(xiàn)了集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的地震成像處理的高效運(yùn)行。

地震偏移成像系統(tǒng)升級(jí)改造效果明顯

目前，物探院承擔(dān)的“面向千萬億次計(jì)算機(jī)的石油勘探地震成像系統(tǒng)”攻關(guān)項(xiàng)目，完成在國產(chǎn)千萬億次高性能計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)多種疊前時(shí)刻偏移與疊前深度偏移算法的并行計(jì)算程序開發(fā)，具有一定的實(shí)用性和良好的并行加速比。研發(fā)的iCluster地震成像軟件具有良好的可擴(kuò)展性，可以有效使用4096個(gè)以上的處理器系統(tǒng)。完成三維理論模型測(cè)試數(shù)據(jù)集的正演模擬計(jì)算與偏移成像實(shí)際資料處理測(cè)試，尤其在國產(chǎn)千萬億次高性能計(jì)算機(jī)上完成了實(shí)際地震數(shù)據(jù)集的偏移成像處理測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模地震成像處理的高效運(yùn)行，促進(jìn)石油勘探地震成像技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，整體達(dá)到國際先進(jìn)水平。

物探院運(yùn)用并行技術(shù)改造升級(jí)地震偏移成像系統(tǒng)，實(shí)行理論模型模擬數(shù)據(jù)測(cè)試與實(shí)際地震數(shù)據(jù)測(cè)試相結(jié)合，在增強(qiáng)地震資料偏移處理效果的同時(shí)，有效提高系統(tǒng)的計(jì)算性能，提升iCluster地震偏移成像系統(tǒng)處理的效率，為大規(guī)模實(shí)際生產(chǎn)提供有利條件，推動(dòng)了國產(chǎn)高性能計(jì)算機(jī)在石油勘探行業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用，打造出石油物探軟件精品，并為將來在大型云計(jì)算設(shè)備中集中部署國產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件奠定了良好基礎(chǔ)。