鐘青云

2008年12月26日，在中科院地球物理所舉行的鑒定會(huì)合影。從左到右分別為郭建（中國(guó)地球物理協(xié)會(huì)秘書長(zhǎng)）、劉洪(中科院地質(zhì)與地球物理所研究員)、佟小龍（GPU開發(fā)小組發(fā)起人）、趙化昆（原中石油勘探生產(chǎn)分公司副總經(jīng)理）、劉光鼎（院士）、管忠（中石油物探局研究院前院長(zhǎng)）、李幼銘（研究員）、劉欽(吉星吉達(dá)公司總經(jīng)理)、劉國(guó)峰（博士生）。

經(jīng)過長(zhǎng)期努力，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所和北京吉星吉達(dá)科技有限公司聯(lián)合研發(fā)了 “油氣勘探地震偏移GPU/CPU協(xié)同并行計(jì)算系統(tǒng)（CPPC）”, 填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)石油地球物理行業(yè)國(guó)內(nèi)高性能計(jì)算領(lǐng)域的空白，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)石油物探高性能計(jì)算軟件“中國(guó)造”。

中石油973項(xiàng)目專家組認(rèn)為，GPU/CPU協(xié)同并行計(jì)算(CPPC)帶給我們的是一場(chǎng)高性能計(jì)算的革命，可以預(yù)見，在不久的將來，GPU在地球物理領(lǐng)域?qū)⒄加兄匾牡匚?，就像?dāng)年P(guān)C服務(wù)器集群取代大型機(jī)一樣，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的大規(guī)模CPU多節(jié)點(diǎn)并行模式，有被GPU/CPU協(xié)同并行模式取代的趨勢(shì)。

（一）我國(guó)油氣勘探高性能計(jì)算受制于人

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)油氣資源需求越來越大，石油勘探開發(fā)對(duì)于地震勘探精度和準(zhǔn)確性需求不斷提高，導(dǎo)致地震勘探數(shù)據(jù)量與計(jì)算量呈指數(shù)式增長(zhǎng)。這一方面對(duì)高性能計(jì)算技術(shù)呈現(xiàn)出持續(xù)而強(qiáng)勁的需求，為高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)提供了一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的市場(chǎng)；另一方面高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展能否以較優(yōu)的性能價(jià)格比提供客戶成為石油物探技術(shù)發(fā)展的制約因素。比如，疊前時(shí)間偏移、疊前深度偏移、波動(dòng)方程偏移等，計(jì)算量和需要處理的數(shù)據(jù)量極其巨大，往往成為目前地震資料處理過程中的“瓶頸”所在。

目前高性能計(jì)算在業(yè)界較為流行的解決方案是使用PC集群技術(shù)，就是把多臺(tái)計(jì)算機(jī)用高速網(wǎng)絡(luò)連接，組成一個(gè)集群，運(yùn)行特定的程序進(jìn)行計(jì)算。另外，還需要在服務(wù)器集群等大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)上運(yùn)行需要上百萬(wàn)美元的國(guó)外商業(yè)專業(yè)處理軟件來運(yùn)算這些海量數(shù)據(jù)。但是，隨著集群的不斷擴(kuò)大，軟硬件投資、龐大場(chǎng)地、空調(diào)制冷、功耗等，都成為制約集群發(fā)展的問題。比如，1萬(wàn)個(gè)CPU集群，每年僅電費(fèi)就消耗1000多萬(wàn)，其軟硬件投資更是天文數(shù)字。

盡管如此，由于在石油勘探高性能計(jì)算軟件領(lǐng)域，我國(guó)一直沒有自主創(chuàng)新的民族品牌的高端軟件，中石油、中石化、中海油等石油公司每年都要耗費(fèi)巨資從海外引進(jìn)軟件，而這些軟件幾乎又都是由海外華裔石油服務(wù)兵團(tuán)開發(fā)的。某華裔科學(xué)家曾感慨地說，我們?cè)诤Ｍ忾_發(fā)軟件，你們?nèi)?guó)外買軟件，我真不明白怎么回事？”

（二）圍繞戰(zhàn)略需求科技攻關(guān)

過去十年中，集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成為石油物探數(shù)據(jù)處理的主流甚至是唯一系統(tǒng)架構(gòu)類型。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，異構(gòu)并行計(jì)算系統(tǒng)將成為下一個(gè)十年的主要發(fā)展方向。如何快速有效地開發(fā)基于大規(guī)模異構(gòu)并行計(jì)算系統(tǒng)的石油物探軟件是當(dāng)前面臨的最大難題。我國(guó)油氣勘探計(jì)算能否圍繞這一戰(zhàn)略需求進(jìn)行科技攻關(guān)，找到一種高性能計(jì)算算法，依靠一種可用、準(zhǔn)確、快捷的程序，多快好省地完成海量計(jì)算呢？

2007年8月，與中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)期合作的佟小龍發(fā)起成立GPU開發(fā)小組，建議沿循當(dāng)前計(jì)算系統(tǒng)發(fā)展方向，應(yīng)用協(xié)同并行計(jì)算來解決地球物理中海量計(jì)算的問題。佟小龍與中科院地質(zhì)與地球物理所研究員劉洪以及他的博士生李博、劉國(guó)峰組成攻關(guān)小組，協(xié)同并行加速計(jì)算研究正式啟動(dòng)。佟小龍現(xiàn)為民營(yíng)科技企業(yè)研發(fā)骨干。1998年，當(dāng)時(shí)在勝利油田工作的佟小龍，便與中科院地球物理所研究員劉洪開始在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的合作。

劉洪教授現(xiàn)任地球物理學(xué)報(bào)編委、地球物理學(xué)進(jìn)展副主編、石油物探編委、地質(zhì)學(xué)會(huì)勘探地球物理委員會(huì)副主任委員、石油天然氣集團(tuán)公司物探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，在國(guó)家物理研究中頗有造詣，1997年曾參加了“復(fù)雜介質(zhì)地震波場(chǎng)成像理論及在勝海探區(qū)的應(yīng)用”的研究，參與獲得中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；特別是參加大慶油田大氣田的發(fā)現(xiàn)工作，2003年獲中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新重大貢獻(xiàn)團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)。

2009年cps-seg年會(huì)上，用戶饒有興趣地參觀吉星吉達(dá)公司的設(shè)備

2009年吉星吉達(dá)公司總經(jīng)理劉欽在中石化江漢油田物探研究院舉行講座的照片

2008年初，從事油儲(chǔ)地球物理專業(yè)研究21年的劉洪研究員基于“李群算法”的非對(duì)稱走時(shí)疊前時(shí)間偏移三維算法已經(jīng)基本完善。在這個(gè)基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組開始了GPU加速通用計(jì)算在石油工業(yè)中疊前時(shí)間偏移的研究。第一個(gè)月，因顯卡本身主頻太低，效率比普通CPU還慢4倍。在解決速度的過程中，逐漸熟悉和掌握GPU的計(jì)算特性，克服了GPU中線性流處理器的計(jì)算要求算法的解耦性、重新組織和調(diào)整所有變量和運(yùn)算的順序，以適應(yīng)GPU的計(jì)算環(huán)境。項(xiàng)目組按照GPU原理及協(xié)同并行計(jì)算(CPPC)的思路，針對(duì)偏移算法中不同階段的運(yùn)算特點(diǎn)，采用不同的軟件編寫策略，在劉洪研究員偏移算法程序的每一個(gè)環(huán)節(jié)最大限度實(shí)現(xiàn)不同處理器協(xié)同計(jì)算，使得其成功編寫了“非對(duì)稱走時(shí)Kirchhoff疊前時(shí)間偏移算法”的協(xié)同并行計(jì)算(CPPC)軟件。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，2008年7月，項(xiàng)目組成功找到核心算法，程序速度比正常CPU快了4倍，又幾經(jīng)修改程序，速度提高10倍以至20倍以上。

作為該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)成功一款GK-II型GPU/CPU協(xié)同并行計(jì)算機(jī)，是在一個(gè)24U高的機(jī)柜中安裝了6臺(tái)NvidiaTeslaS10701U機(jī)架式服務(wù)器和6臺(tái)配置兩顆2.5GHz四核CPU的2U機(jī)架式PC服務(wù)器，運(yùn)算能力達(dá)到24萬(wàn)億次每秒，總體功耗是7000瓦特。

除了計(jì)算速度的對(duì)比測(cè)試，項(xiàng)目組還進(jìn)行了資料處理效果的測(cè)試，畢竟，處理效果的好壞對(duì)于地震勘探來說更為重要。項(xiàng)目組使用該系統(tǒng)處理了大慶、河南、勝利、華北、吉林、新疆、中原、遼河等13塊、總面積超過50000平方公里，數(shù)據(jù)量約11.6TB的三維地震數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)與常用商業(yè)軟件的整體效果相當(dāng)，且對(duì)介質(zhì)橫向速度變化大、傾角陡的地區(qū)成像效果改善明顯，優(yōu)于目前的商用軟件。

（三）公司化運(yùn)作推動(dòng)科技長(zhǎng)入經(jīng)濟(jì)

當(dāng)協(xié)同并行計(jì)算取得突破性進(jìn)展以后，這一項(xiàng)目顯示了油氣勘探精確成像的產(chǎn)業(yè)化前景，同時(shí)其協(xié)同并行的高性能計(jì)算帶來節(jié)能減排、大量節(jié)約成本的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

這時(shí)，一些看到項(xiàng)目前景的各式各樣的合作者紛紛找上門來，有的想全面收購(gòu)，有的只想把項(xiàng)目轉(zhuǎn)手賣個(gè)好價(jià)錢。佟小龍項(xiàng)目組在意向洽談中結(jié)識(shí)了投資合伙人劉欽，劉欽對(duì)事業(yè)的執(zhí)著、做事情的認(rèn)真，不計(jì)較個(gè)人得失地投入大量的時(shí)間、精力、金錢，這些都與項(xiàng)目組的目標(biāo)不謀而合，劉欽很快作為戰(zhàn)略投資者被項(xiàng)目組認(rèn)同接受，吉星吉達(dá)科技公司應(yīng)運(yùn)而生。

作為這一項(xiàng)目的戰(zhàn)略投資者，劉欽看中了該項(xiàng)目符合中國(guó)能源低碳戰(zhàn)略的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，GPU項(xiàng)目將疊前偏移的計(jì)算速度提高了幾十倍甚至上百倍，而系統(tǒng)構(gòu)建成本卻不到傳統(tǒng)并行機(jī)的十分之一。油氣勘探成像不僅準(zhǔn)確率高，而且高效計(jì)算可以節(jié)約大量成本和空間，可以用以往20%投資、10%能耗、25%場(chǎng)地實(shí)現(xiàn)相同的效率。

劉欽認(rèn)為，中國(guó)正處于工業(yè)化、城市化進(jìn)程加快過程中，能源需求仍在急劇增長(zhǎng)，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)一時(shí)難以改變；同時(shí)，高耗能、高排放行業(yè)在工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占很大比例，且發(fā)展方式比較粗放，這就決定了我國(guó)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)要以節(jié)能減排為重要抓手，在發(fā)展低碳產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，更要注重“產(chǎn)業(yè)降碳”，降低能耗，減少污染，以減輕經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)資源、能源和環(huán)境的壓力。低碳經(jīng)濟(jì)是以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)模式，核心是能源技術(shù)和減排技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和制度創(chuàng)新。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已成為轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的方向和我國(guó)占據(jù)世界經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的關(guān)鍵。

在推動(dòng)過程中，遇到了各種觀念的沖突和各方阻力，但大家為著一個(gè)共同的目標(biāo)，堅(jiān)持不懈地努力工作。正是憑借著項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的協(xié)同攻關(guān)、創(chuàng)新務(wù)實(shí)的精神，特別是大慶、勝利、吐哈油田測(cè)試屢屢成功，給項(xiàng)目組以繼續(xù)努力的信心和動(dòng)力，產(chǎn)品逐漸被油田認(rèn)可，各項(xiàng)工作不斷走向正軌。

（四）國(guó)內(nèi)油田應(yīng)用初露鋒芒

2009年3月， GPU軟件在大慶油田500多平方三維共886GB疊前數(shù)據(jù)應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試，該公司12個(gè)GPU等同于現(xiàn)有的集群系統(tǒng)大約1500個(gè)CPU同時(shí)工作的運(yùn)算能力。大慶油田一個(gè)某技術(shù)主管領(lǐng)導(dǎo)感慨道，“過去一個(gè)月的事情現(xiàn)在一周就可以了”。而且，GPU的問世，可以用以往20%投資、10%能耗、25%場(chǎng)地實(shí)現(xiàn)相同的效率。根據(jù)專家估算，從引進(jìn)成本、電費(fèi)等方面考慮，耗資1000萬(wàn)購(gòu)買GPU軟件及配套硬件，起碼為油田節(jié)約投資一個(gè)億，同時(shí)還能保質(zhì)保量地完成油田過去的生產(chǎn)任務(wù)。

繼大慶油田之后，江漢油田物探研究院2009年引進(jìn)的一套GPU/CPU協(xié)同并行計(jì)算非對(duì)稱走時(shí)疊前時(shí)間偏移處理系統(tǒng)，日前投入科研生產(chǎn)并取得顯著效果。目前，江漢油田應(yīng)用該處理系統(tǒng)已順利完成八面河西部高精度三維疊前時(shí)間偏移、潛江凹陷張家湖三維連片處理疊前時(shí)間偏移、江陵凹陷萬(wàn)城—萬(wàn)城南—李埠三維連片處理疊前時(shí)間偏移處理任務(wù)。其中，八面河西部高精度三維處理僅用時(shí)13天，而以往采用國(guó)外商業(yè)處理系統(tǒng)進(jìn)行疊前時(shí)間偏移需要4個(gè)月之久。GPU/CPU協(xié)同并行處理系統(tǒng)與其他疊前時(shí)間偏移處理系統(tǒng)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優(yōu)勢(shì)。

在勝利油田、吐哈油田推廣使用，因其計(jì)算速度快，成像結(jié)果準(zhǔn)確，贏得好評(píng)如潮，南陽(yáng)、中原、四川等更多的油田紛紛表示了購(gòu)買意向。

(五) 通過成果鑒定引起廣泛關(guān)注

經(jīng)過中石油研究院、大慶油田、勝利油田等地測(cè)試，GPU軟件計(jì)算速度達(dá)到現(xiàn)有CPU的28倍，在節(jié)約大量電費(fèi)的同時(shí)，節(jié)省大量空間。

2008年12月, 中石油立項(xiàng)、石油大學(xué)牽頭、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所參加的973項(xiàng)目“非均質(zhì)油氣藏地球物理探測(cè)的基礎(chǔ)研究”辦公室召開專家會(huì)議，對(duì) GPU/CPU協(xié)同并行計(jì)算成果進(jìn)行鑒定，專家組對(duì)此項(xiàng)技術(shù)給予了高度評(píng)價(jià)，專家組一致認(rèn)為，油氣勘探地震偏移GPU/CPU協(xié)同并行計(jì)算系統(tǒng)技術(shù)手段先進(jìn)有效，實(shí)現(xiàn)了顯著加快偏移計(jì)算速度，提高數(shù)值精度和減少計(jì)算成本的技術(shù)目標(biāo)，其軟硬件擁有高效率的計(jì)算速度，是一項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科技成果，對(duì)油氣勘探地震偏移技術(shù)發(fā)展具有重大意義。

GPU軟件目前已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。國(guó)外“勘探與開發(fā)”雜志曾刊登說：“中國(guó)石油工業(yè)采用新的GPU加速軟件解決地震成像問題”。中國(guó)石油工業(yè)領(lǐng)導(dǎo)敏銳覺察到此項(xiàng)技術(shù)的先進(jìn)性、重要性、原創(chuàng)性，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司總經(jīng)理蔣潔敏批示要求科技、生產(chǎn)、信息部門關(guān)注此項(xiàng)技術(shù)，中石化、中海油有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)也非常重視。

據(jù)悉，目前該技術(shù)在領(lǐng)導(dǎo)關(guān)注和重視下已先后在東方地球物理公司、大慶、勝利、吐哈、四川、江漢、中原等油田都安裝了此系統(tǒng)，搶占了高端軟件市場(chǎng)，創(chuàng)造了很好效益。