围绕能源低碳战略需求圆梦高性能计算软件“中国造”——中科院自主研发油气勘探地震偏移协同并行计算系统

钟青云

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(中科院地质与地球物理所研究员)、佟小龙（GPU开发小组发起人）、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(吉星吉达公司总经理)、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。

（一）我国油气勘探高性能计算受制于人

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？”

（二）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。佟小龙现为民营科技企业研发骨干。1998年，当时在胜利油田工作的佟小龙，便与中科院地球物理所研究员刘洪开始在科学计算领域的合作。

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。

2009年cps-seg年会上，用户饶有兴趣地参观吉星吉达公司的设备

2009年吉星吉达公司总经理刘钦在中石化江汉油田物探研究院举行讲座的照片

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。

（三）公司化运作推动科技长入经济

当协同并行计算取得突破性进展以后，这一项目显示了油气勘探精确成像的产业化前景，同时其协同并行的高性能计算带来节能减排、大量节约成本的社会与经济效益。

这时，一些看到项目前景的各式各样的合作者纷纷找上门来，有的想全面收购，有的只想把项目转手卖个好价钱。佟小龙项目组在意向洽谈中结识了投资合伙人刘钦，刘钦对事业的执着、做事情的认真，不计较个人得失地投入大量的时间、精力、金钱，这些都与项目组的目标不谋而合，刘钦很快作为战略投资者被项目组认同接受，吉星吉达科技公司应运而生。

作为这一项目的战略投资者，刘钦看中了该项目符合中国能源低碳战略的长远规划，GPU项目将叠前偏移的计算速度提高了几十倍甚至上百倍，而系统构建成本却不到传统并行机的十分之一。油气勘探成像不仅准确率高，而且高效计算可以节约大量成本和空间，可以用以往20%投资、10%能耗、25%场地实现相同的效率。

刘钦认为，中国正处于工业化、城市化进程加快过程中，能源需求仍在急剧增长，以煤炭为主的能源结构一时难以改变；同时，高耗能、高排放行业在工业产业结构中占很大比例，且发展方式比较粗放，这就决定了我国发展低碳经济要以节能减排为重要抓手，在发展低碳产业的同时，更要注重“产业降碳”，降低能耗，减少污染，以减轻经济发展对资源、能源和环境的压力。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新。发展低碳经济已成为转变发展方式的方向和我国占据世界经济竞争制高点的关键。

在推动过程中，遇到了各种观念的冲突和各方阻力，但大家为着一个共同的目标，坚持不懈地努力工作。正是凭借着项目团队的协同攻关、创新务实的精神，特别是大庆、胜利、吐哈油田测试屡屡成功，给项目组以继续努力的信心和动力，产品逐渐被油田认可，各项工作不断走向正轨。

（四）国内油田应用初露锋芒

2009年3月， GPU软件在大庆油田500多平方三维共886GB叠前数据应用进行测试，该公司12个GPU等同于现有的集群系统大约1500个CPU同时工作的运算能力。大庆油田一个某技术主管领导感慨道，“过去一个月的事情现在一周就可以了”。而且，GPU的问世，可以用以往20%投资、10%能耗、25%场地实现相同的效率。根据专家估算，从引进成本、电费等方面考虑，耗资1000万购买GPU软件及配套硬件，起码为油田节约投资一个亿，同时还能保质保量地完成油田过去的生产任务。

继大庆油田之后，江汉油田物探研究院2009年引进的一套GPU/CPU协同并行计算非对称走时叠前时间偏移处理系统，日前投入科研生产并取得显著效果。目前，江汉油田应用该处理系统已顺利完成八面河西部高精度三维叠前时间偏移、潜江凹陷张家湖三维连片处理叠前时间偏移、江陵凹陷万城—万城南—李埠三维连片处理叠前时间偏移处理任务。其中，八面河西部高精度三维处理仅用时13天，而以往采用国外商业处理系统进行叠前时间偏移需要4个月之久。GPU/CPU协同并行处理系统与其他叠前时间偏移处理系统相比，成像精度更高，而且具有硬件投入成本低廉和能耗低的优势。

在胜利油田、吐哈油田推广使用，因其计算速度快，成像结果准确，赢得好评如潮，南阳、中原、四川等更多的油田纷纷表示了购买意向。

(五) 通过成果鉴定引起广泛关注

经过中石油研究院、大庆油田、胜利油田等地测试，GPU软件计算速度达到现有CPU的28倍，在节约大量电费的同时，节省大量空间。

2008年12月, 中石油立项、石油大学牵头、中国科学院地质与地球物理所参加的973项目“非均质油气藏地球物理探测的基础研究”办公室召开专家会议，对 GPU/CPU协同并行计算成果进行鉴定，专家组对此项技术给予了高度评价，专家组一致认为，油气勘探地震偏移GPU/CPU协同并行计算系统技术手段先进有效，实现了显著加快偏移计算速度，提高数值精度和减少计算成本的技术目标，其软硬件拥有高效率的计算速度，是一项具有自主知识产权的科技成果，对油气勘探地震偏移技术发展具有重大意义。

GPU软件目前已经引起国内外广泛关注。国外“勘探与开发”杂志曾刊登说：“中国石油工业采用新的GPU加速软件解决地震成像问题”。中国石油工业领导敏锐觉察到此项技术的先进性、重要性、原创性，中国石油天然气集团公司总经理蒋洁敏批示要求科技、生产、信息部门关注此项技术，中石化、中海油有关领导也非常重视。

据悉，目前该技术在领导关注和重视下已先后在东方地球物理公司、大庆、胜利、吐哈、四川、江汉、中原等油田都安装了此系统，抢占了高端软件市场，创造了很好效益。