英特尔为中国石油勘探“加油”

　　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，为这些客户提供解决方案的同时，也越来越注重与他直接交流和互动，以更多地了解他实际应用高性能计算技术时遇到各种复杂问题。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。

　　不久前召开的一次石油行业高性能计算（ HPC 研讨会上，笔者有幸见到业内众多的相关人士与专家，并与他就高性能计算与石油产业的关系进行了广泛的探讨。期间，笔者也专访采访了英特尔公司的服务器产品事业部产品经理顾凡先生，与英特尔解决方案部中国大区技术部经理梁岩先生，就高性能计算本身的发展特性进行了交流。

　

　虽然是英特尔公司的人员，但我话题并没有围绕着英特尔来展开，而是从更多的方向上来交流 HPC 新趋势，包括与中国石油发展的 HPC 应用。比如在存储组件方面，近年来兴起的 SSD 固态硬盘）会不会也在 HPC 中崭露头脚呢？顾凡表示， SSD 将会大幅度降低非 CPU 组件的功耗，这对于 HPC 应用来讲是很有意义的但是否完全适用于所有的 HPC 还要看具体的应用， I/O 并不敏感的领域， SSD 必要性并不是很大。未来在企业级应用， SAS SSD 将是主流，但对于后端的存储来讲，替换的必要性并不高。

　　那么在经济危机下，主动进行 HPC 系统替换的趋势有没有减弱呢？梁岩表示，由于 HPC 基本都是基础科学领域，很多研究是必须要做的所以经济危机对于 HPC 需求并没有什么明显的影响，该要做的研究仍然要做，这是不可阻挡的所以主动进行 HPC 系统的替换也一直在进行，但经济环境会对替换以及后续管理的策略产生一定的影响，比如更在意维护成本的降低，减少运维盲点。另外，由于 HPC 应用软件的授权成本已经占到很大的份额，所以顾凡则提出了另一个观点 — 不是非要运用很多核心去计算才能满足要求，用户很关心的毕竟有多少个核就要多少个授权，这都是成本，所以处理能效能就是一个不变的追求。就这点来说，新推出的至强 5500 核心数量相同的情况下能达到 5400 系统两倍多的计算能力，对于用户来讲的诱惑也就不言自明了

　　不过，很多 HPC 应用场合，比如高校、银行等，由于 HPC 并不是一种常态应用，所以 HPC 设备在应用间隔期的闲置就成为了一个不可忽视的问题，对此英特尔也注意到梁岩表示，随着技术与理念的发展，也对这一问题提出了多个解决方案，比如 HPC 云计算，可以提供给外部使用，以服务于那些有 HPC 需求，但没有 HPC 设备的用户，另一方面也可以通过虚拟化的手段将设备在闲置充分利用来为单位的其他企业级应用提供支持，这需要有一些高效的文件系统以及自动分配资源的管理能力，从而可以进一步减少维护成本。

　　现在服务器随着 CPU 进步正在向多路的方向发展，英特尔也将发布自己的 8 路服务器用 CPU Nehalem-EX 那么在 HPC 系统本身的发展中，胖节点（ 4 路及以上服务器）否会有更多的起色？对此顾凡认为还要看实际的应用与客户的需求，当前的 HPC 系统中，大多数还是双路的局多，因为已经够用，而且现在 HPC 大多基于 MPI 体系架构，所以单节点的性能不需要太高，因为这样的性价比也并不划算，虽然单机的 OpenMP 效率更高，但想在一个节点上解决所有处理任务根本不可能。所以 4 路、 8 路服务器更适用于企业的关键应用、虚拟化整合等等，当然如果用户很有钱，就是要上胖节点也是可以的但对于 M 互联的效率要求也更高。不过也不能排除 8 路、 16 路服务器上市后，并行计算模式发生某种改变，但双路服务器对于 HPC 仍然是较佳的选择。

　　而在具体的设备选型方面，刀片服务器在 HPC 中的应用又如何呢？顾凡表示，可能很多人认为刀片在 HPC 中的占有率很高了但现实并不是这样，企业级应用中，刀片占到市场的 7% 而在 HPC 市场会高一些，为 10% 左右，刀片非常适用于业务集中化，显然还有很大的发展潜力，但相对于传统的机架式服务器，还比较年轻，也欢迎厂商们进一步加大 HPC 刀片的研发力度。

　　也都知道在 HPC 系统的排名中，基本上都是以 LinPack 测试得分，那么这个得分对于具体的用户来说有什么重大的意义吗？对此顾凡也是感慨万千，这个话题谈了很多年，相信以后还会接着说下去，认为它最大意义在于提示了 HPC 计算能力发展基本趋势，这里包含了很多其他领域的进步，比如架构的进步、 CPU 演变、互联、内存技术的变化等等。展示了一套 HPC 系统的运算基础，但是不是能等同于实际应用的效果，认为绝不能有这样的认识。顾凡接着解释到 HPC 应用软件的设计是五花八门的而且不同的应用软件在计算资源上的需求重点也不一样，这就需要用户去亲自测试，才能决定这套系统适合不适合你应用，而不是仅仅去看个 LinPack 得分，更多的个基准，加权则由用户自己来确定，所以还是那句话， HPC 必须要看行业、看应用！

　　说到应用，就不能不谈到这次的石油行业高性能计算的研讨会，那么在这一领域中国与国外的差距主要体现在什么地方呢？顾凡解释到主要就是应用的开发能力上，硬件的投入，国内的水平已经和国外差不多了但是相关软件的开发上，与国外还有明显的差距。比如油仓模拟时，解释出图的效果，国外软件有明显的优势，这主要就体现在算法的与应用软件的开发能力上，这也是一个 HPC 软实力的体现。

　　当我解了两位英特尔专家的 HPC 趋势解读之后，那么下面就具体来看看高性能计算在石油行业中的应用，以及英特尔在中国石油行业高性能计算领域中提供哪些有益的帮助。

　　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。

　　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。 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。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

　　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。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 ” 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。

　　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 process 和油藏模拟 ( reservoir simul 两大类，另外业内人士还将计算可视化 ( comput visual 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 Geodepth 和 Focu Western Geco Omega CGG GeoClust 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 iClust 等。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。

　　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 VIP/Nexu 和 Schlumberg Eclips 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。

　　英特尔高性能计算的核 ” 动力

　　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 — 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，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 — 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 70.08% 共 354 套） 2008 年 6 月时它增长到 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，则写下了 79.8% 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 Technolog 及集成内存控制器，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，就可明显改善油藏摸拟类应用的性能（提升达 2.54 倍，应用 Eclips 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 Technolog 和英特尔超线程技术（ Intel Hyper-Thread Techolog 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 Intellig Power Technolog 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：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。

　　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 “ 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，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，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高性能计算系统，让他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。

　　携手产业伙伴 加速中国石油勘探进程

　　秉承 “ 与中国共成长 ” 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。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，从以下几方面为它提供助力：

　　提供世界先进水平的高性能计算系统 — 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。