能源低碳战略：圆梦高性能计算软件“中国造

中科院成功研发油气勘探地震偏移协同并行计算系统，填补了国内高性能石油物探软件的空白。
　　2008年12月26日，在中科院地球物理所举行的鉴定会合影。从左到右分别为郭建（中国地球物理协会秘书长）、刘洪、佟小龙、赵化昆（原中石油勘探生产分公司副总经理）、刘光鼎（院士）、管忠（中石油物探局研究院前院长）、李幼铭（研究员）、刘钦、刘国峰（博士生）。

　　经过长期努力，中国科学院地质与地球物理研究所和北京吉星吉达科技有限公司日前联合研发了“油气勘探地震偏移GPU/CPU协同并行计算系统（CPPC）”,填补了国内石油地球物理行业国内高性能计算领域的空白，实现了中国石油物探高性能计算软件“中国造”。

　　中石油973项目专家组认为，GPU/CPU协同并行计算(CPPC)带给我们的是一场高性能计算的革命，可以预见，在不久的将来，GPU在地球物理领域将占有重要的地位，就像当年PC服务器集群取代大型机一样，现在广泛应用的大规模CPU多节点并行模式，有被GPU/CPU协同并行模式取代的趋势。

　　石油勘探软件将不再受制于人

　　社会经济发展对油气资源需求越来越大，石油勘探开发对于地震勘探精度和准确性需求不断提高，导致地震勘探数据量与计算量呈指数式增长。这一方面对高性能计算技术呈现出持续而强劲的需求，为高性能计算产业提供了一个长期稳定的市场；另一方面高性能计算技术的发展能否以较优的性能价格比提供客户成为石油物探技术发展的制约因素。比如，叠前时间偏移、叠前深度偏移、波动方程偏移等，计算量和需要处理的数据量极其巨大，往往成为目前地震资料处理过程中的“瓶颈”所在。

　　目前高性能计算在业界较为流行的解决方案是使用PC集群技术，就是把多台计算机用高速网络连接，组成一个集群，运行特定的程序进行计算。另外，还需要在服务器集群等大规模并行计算机上运行需要上百万美元的国外商业专业处理软件来运算这些海量数据。但是，随着集群的不断扩大，软硬件投资、庞大场地、空调制冷、功耗等，都成为制约集群发展的问题。比如，1万个CPU集群，每年仅电费就消耗1000多万，其软硬件投资更是天文数字。

　　尽管如此，由于在石油勘探高性能计算软件领域，我国一直没有自主创新的民族品牌的高端软件，中石油、中石化、中海油等石油公司每年都要耗费巨资从海外引进软件，而这些软件几乎又都是由海外华裔石油服务兵团开发的。某华裔科学家曾感慨地说：“我们在海外开发软件，你们去国外买软件，我真不明白怎么回事？”　　2009年cps-seg年会上，用户饶有兴趣地参观geostar的设备。

　　围绕战略需求科技攻关

　　过去十年中，集群计算机系统成为石油物探数据处理的主流甚至是唯一系统架构类型。从技术发展趋势来看，异构并行计算系统将成为下一个十年的主要发展方向。如何快速有效地开发基于大规模异构并行计算系统的石油物探软件是当前面临的最大难题。我国油气勘探计算能否围绕这一战略需求进行科技攻关，找到一种高性能计算算法，依靠一种可用、准确、快捷的程序，多快好省地完成海量计算呢？

　　2007年8月，与中国科学院长期合作的佟小龙发起成立GPU开发小组，建议沿循当前计算系统发展方向，应用协同并行计算来解决地球物理中海量计算的问题。佟小龙与中科院地质与地球物理所研究员刘洪以及他的博士生李博、刘国峰组成攻关小组，协同并行加速计算研究正式启动。

　　刘洪教授现任地球物理学报编委、地球物理学进展副主编、石油物探编委、地质学会勘探地球物理委员会副主任委员、石油天然气集团公司物探重点实验室学术委员会委员，在国家物理研究中颇有造诣，1997年曾参加了“复杂介质地震波场成像理论及在胜海探区的应用”的研究，参与获得中国科学院科技进步奖一等奖；特别是参加大庆油田大气田的发现工作，2003年获中国科学院知识创新重大贡献团队奖。

　　2008年初，从事油储地球物理专业研究21年的刘洪研究员基于“李群算法”的非对称走时叠前时间偏移三维算法已经基本完善。在这个基础上，项目组开始了GPU加速通用计算在石油工业中叠前时间偏移的研究。第一个月，因显卡本身主频太低，效率比普通CPU还慢4倍。在解决速度的过程中，逐渐熟悉和掌握GPU的计算特性，克服了GPU中线性流处理器的计算要求算法的解耦性、重新组织和调整所有变量和运算的顺序，以适应GPU的计算环境。项目组按照GPU原理及协同并行计算(CPPC)的思路，针对偏移算法中不同阶段的运算特点，采用不同的软件编写策略，在刘洪研究员偏移算法程序的每一个环节最大限度实现不同处理器协同计算，使得其成功编写了“非对称走时Kirchhoff叠前时间偏移算法”的协同并行计算(CPPC)软件。经过反复测试，2008年7月，项目组成功找到核心算法，程序速度比正常CPU快了4倍，又几经修改程序，速度提高10倍以至20倍以上。

　　作为该系统的硬件平台，项目团队开发成功一款GK-II型GPU/CPU协同并行计算机，是在一个24U高的机柜中安装了6台NvidiaTeslaS10701U机架式服务器和6台配置两颗2.5GHz四核CPU的2U机架式PC服务器，运算能力达到24万亿次每秒，总体功耗是7000瓦特。

　　除了计算速度的对比测试，项目组还进行了资料处理效果的测试，毕竟，处理效果的好坏对于地震勘探来说更为重要。项目组使用该系统处理了大庆、河南、胜利、华北、吉林、新疆、中原、辽河等13块、总面积超过50000平方公里，数据量约11.6TB的三维地震数据。测试结果表明该系统与常用商业软件的整体效果相当，且对介质横向速度变化大、倾角陡的地区成像效果改善明显，优于目前的商用软件。（钟青云） (来源：科技日报)