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如何让HPC在能源勘探行业"如鱼得水"?

2018-01-09 16:56    it168网站 原创  作者: 谢涛 编辑: 谢涛

  【IT168 案例】为了满足全球日益增长的能源需求,石油和天然气行业已经成为高性能计算(HPC)的最大应用和创新行业之一。随着自然资源的消耗,以及勘探成本的增加,高度复杂的计算建模成为能源勘探和开发的重要工具。

  先进的计算技术带来了高保真度的地下模型,使石油和天然气公司更了解那些建议探索地区的地球物理学。更清晰的地球图景可以实现针对性钻井、降低获取成本和最小化环境影响。在这样一个时间就是金钱的行业中,强大而复杂的计算建模带来了竞争优势。

如何让HPC在能源勘探行业"如鱼得水"?

  难点在于:计算需求的增加与项目周期的缩短

  找到经济上可行的储备就像大海捞针一样难,从新勘探到获得第一油的旅程漫长且昂贵。能源公司非常依赖于地震数据,以及从数据中获得的模型,为勘探过程提供洞察力和指导。当深水勘探钻井成本超过1亿美元时,钻井不准确的代价是巨大的。地震数据的高质量和快速的处理和分析对一个成功的勘探和开发项目至关重要。

  一项地震调查可能带来数百TB的数据,并且需要某些世界上最大的超级计算机花几个月的时间来处理。将原始数据转换为有用的地下模型需要复杂的算法,而且需要对最复杂的计算机硬件进行高度优化。地震处理行业一直处于实施创新计算技术、硬件和先进冷却解决方案的前沿,因为它对最高效的HPC交付其服务有持续不断的需求。

  总部位于澳大利亚珀斯的DownUnder GeoSolutions(DUG)公司是全球领先的地球科学公司,为能源公司提供基本服务,使其能够准确定位新的、高效的油气开采地点。从珀斯(澳大利亚)、伦敦(英国)、吉隆坡(马来西亚)和休斯顿(美国)的四个地点,DUG提供了广泛的产品和综合服务,用于石油和天然气勘探和生产。为了实现这一点,DUG需要巨大的计算能力来处理和成像地震数据,并生成地下的高分辨率模型。

如何让HPC在能源勘探行业"如鱼得水"?

  开发一个高质量、三维(3D)的地球地下模型的过程是极其复杂的。首先,要进行一项地震测量,记录来自地球表面上成千上万个声音脉冲的反射声波。然后对这些数据进行处理,消除各种类型的连贯和随机噪声,只留下主要的有用信号。数据中的反射器在空间上使用一个地球模型,进入三维空间,在地下产生反射器的图像。根据这个数据集,地球模型可以更新,并且再次执行成像。经过许多次的细化,可以得出一个非常精确的地球模型,和反射地球表面下的地质层的正确位置。

  这样的处理周期可能需要几个月才能完成,而且计算需求会持续增加——随着调查领域不断增长,和照片和接收器密度不断增加。这些因素造成了“数据爆炸”,一个项目的输入数据将以数百TB计。

  同时,数据处理使用越来越复杂的计算方法,产生更精确的图像和地球模型所需要的每秒浮点计算次数(FLOPS)是极高的。升级到一个更精确的计算算法,将使计算工作量增加一个数量级。

  增加的计算需求与减少的项目时间相结合,结果就是需要一个快速、强大、高效的HPC环境。

  计算能力如何跟上技术的脚步

  此前,基于Intel Xeon Phi 5110协处理器,DUG采用并实现了大规模集群。虽然这种计算环境足以满足当前的需求,但它没有能力满足公司不断增长的客户基础和新技术需求。

  DUG需要一个灵活而强大的HPC系统,可以应对大规模的地震处理和成像,解决对高级算法的不断升级的需求,提高操作效率,同时降低总体拥有成本,集成到挖掘的生态系统中,有效地利用了多年的代码和算法优化。

  DUG与英特尔公司合作开发一种创新的、节能的解决方案,能够处理高要求的工作量和不断升级的计算需求。在Intel Xeon Phi 7210处理器的基础上,DUG利用数以千计的最新系统补全了现有系统。每个处理器有64个内核,处理多达256个并发线程,以实现快速、无缝的处理。集群是同构的,所有的算法都可以在相同的CPU上运行,所以DUG不需要用不同的算法针对集群的不同部分。同构集群还可以使DUG能够优化工作负载调度,并在整个集群中处理单个作业,以获得更快的结果。

  DUG升级了它位于休斯顿的超级计算机,绰号“Bubba”,使用英特尔Xeon Phi处理器,将其计算能力加倍到12petaflops (pFLOPS)单精度。该公司目前正在升级其休斯顿机房,以使Bubba能够在2018年之前发展为120 + PF的机器。DUG正在升级其他超级计算机,“Bruce”(珀斯),“Bohdi”(吉隆坡)和“Bazza”(伦敦),以配合目前正在建设的新办公室和数据中心。该公司将于2018年推出基于英特尔Xeon Phi处理器的百万兆级系统。

如何让HPC在能源勘探行业"如鱼得水"?

  新的超级计算机支持DUG减少运行时间,提高效率,并扩展公司的能力。Bubba现在可以在24小时内运行12900平方公里的5公里孔径叠前偏移,或者7200平方公里的大孔径3D SRME (3D表面相关的多重消除)。DUG的HPC环境可以运行最新的新兴技术,例如大规模的全波形反演(FWI),它利用整个地震波场来生成高分辨率的成像和表征速度模型。例如,这台新机器能够运行3D FWI,最高频率为60赫兹。

  DUG还在数据中心使用了其他尖端技术。一项引人注目的创新是其独特的模块化冷却系统,在这种系统中,服务器沉浸在循环的电介质流体中,消除了风扇的需要,并提供了可观的能源节约。将英特尔Xeon Phi处理器与DUG的专有冷却方法相结合,使公司能够显著减少其电脑内存,并减少了40%的电力消耗。HPC系统的运行成本一般用电能使用效率(PUE)来度量。DUG技术达到了1.05的PUE,比高效的“绿色”数据中心的PUE要好得多。

  DUG在休斯顿、伦敦、吉隆坡和珀斯的数据中心,更换了英特尔Xeon Phi 7210处理器,可以在更小的空间中实现更大的超级计算能力。改进后的处理器在主板上需要较少的外围设备,使用更少的电量,并减少设备所需要的空间。这使得在正常办公大楼内的10+ pFLOPS系统可安装到不足100平方米的地面空间。

  该公司为海洋地球物理公司——Polarcus提供硬件和软件,为海洋地震数据采集装配船队。DUG系统架构师Stuart Midgley博士指出,每艘船的空间都非常有限,因此机载超级计算系统对于数据处理和成像来说必须非常强大,但消耗的电能很少,占用的空间有限。

  “海洋地震采集有特殊的限制。我们只能在船上安装几个硬件机架,在重量、空间、功率和冷却方面都是有限的。”Midgley解释道,“我们所有的航海系统都利用英特尔Xeon Phi来获得最大的超算能力。以前非常有限的快速跟踪处理可以实现交付;而且我们可以在搭载英特尔Xeon Phi的时候提供去噪、3D-demultiple和成像产品。”挖掘硬件和软件解决方案提供了业界领先的机载处理。

  Midgley强调,基于英特尔最新的HPC技术,DUG的持续投资是公司的竞争优势。他表示:“石油和天然气行业每天都面临着重大挑战。我们的客户知道我们可以提供比竞争对手更高质量的数据和更快的洞察力。即使市场太不景气,我们也在扩大和承担这个行业中最具挑战性的项目。

  据Midgley说,英特尔的技术大大减少了完成任务所需的时间。他指出:“在英特尔的支持下,我们为运行英特尔Xeon Phi处理器的系统所做的每一项优化都提高了DUG技术的性能。”

  英特尔的许多其他的创新HPC技术,如英特尔固态硬盘及其以太网网络,提高了DUG的数据质量、准确性和分析速度。因此,挖掘的超级计算系统运行得更快、更可靠,并且提高了能源效率。新的处理器利用更少的电力提供更多的每瓦特FLOPS,同时提供更快的计算速度。企业级的设备意味着数据完整性和完整的数据校验和,从DRAM一直到字节的旋转磁盘。

  Midgley解释说,英特尔的技术帮助DUG解决了大规模挑战。他说:“在一个非常大的项目中,被调查的地区覆盖了24000平方公里,有200 TB字节的原始输入数据。最新的英特尔Xeon Phi处理器让我们在7到8个月的时间里完成了之前的工作。”

  DUG的研究和开发团队的设计、代码、优化数字算法充分利用英特尔Xeon Phi处理器。这一切成就了行业中最短的时间到解决方案,同时使用了最高质量的算法,并且不影响数据质量。

  计算能力增加了,所需的能耗却更少。Midgley说:“在我们的设备上,我们限制了可以访问的电量。处理器的能耗降低意味着我们在能量收支中可获得更多FLOPS。”

  英特尔最新的处理器和其他HPC技术能够更快、更高效、更准确地处理客户的数据,使该解决方案更加高效节能,并且比大多数超级计算机需要更少的物理空间。显然,DUG在HPC技术上的投资取得了积极的回报,反过来,也能以更低的成本提供更好的服务。

标签: 能源勘探 , 超算 , HPC , 优化
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