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中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院西北分院 2010年 12月 21日 一 二 三 技術(shù)展望 匯 報(bào) 提 綱 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 一、 程 20世紀(jì) 70年代 向量機(jī) 20世紀(jì) 90年代初 對(duì)稱多處理共享存儲(chǔ)并行機(jī) ( 20世紀(jì) 90年代中期 分布式共享存儲(chǔ)多處理機(jī) ( 20世紀(jì) 90年代后期 大規(guī)模并行處理機(jī) ( 21世紀(jì)初期 計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng) ( 并行機(jī)需要在 存、操作系統(tǒng)等進(jìn)行定制,成本非常昂貴,技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大,實(shí)現(xiàn)周期長(zhǎng)。 一、 程 1、 單核 核 核 核 多核 大大減少了散熱和功耗 一、 程 多核 受限的加速比 內(nèi)核數(shù)目的線性增加不 能帶來整體處理性能的線性增長(zhǎng) 延時(shí)問題 系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)展超過數(shù)萬個(gè)處理器、數(shù)十萬個(gè)處理器核時(shí),該問題變得十分突出。 添加 對(duì) C 和 C+ 等高級(jí)語言的支持。此舉最終推動(dòng)誕生了面向 形處理器)的 構(gòu) 一發(fā)現(xiàn)掀起了 可編程性日益增加, 英偉達(dá) )推出了第一款 形處理器)。 最初用作固定功能圖形管線 構(gòu) 第 形處理器 ) 圖形芯片 一、 程 20世紀(jì) 80年代 ,以 形處理功能逐漸從 1999年, 56,第一次在圖形芯片上實(shí)現(xiàn)了 3形處理器,常用于顯示(顯卡)。 2、 2003年 ,可編程的 2006年 ,可進(jìn)行高級(jí)語言編程的 一計(jì)算)架構(gòu) 中央處理器 圖形處理器 (顯卡 ) 接屏幕的端口 內(nèi)置顯卡 1070 1U 系統(tǒng) 一、 程 1、法國(guó)網(wǎng)站 國(guó)原子能委員會(huì)等機(jī)構(gòu)正準(zhǔn)備構(gòu)建一臺(tái)新的超級(jí)計(jì)算機(jī),其中有 時(shí)會(huì)加入將近兩百顆 060/1070),有望成為世界上第一臺(tái) 2、據(jù) 2008年 11月 21日,美國(guó)德克薩斯州奧斯汀市 京工業(yè)大學(xué)( 式宣布與 用 一、 程 一、 程 2009年 10月 30日國(guó)防科技大學(xué)宣布研制成功我國(guó)首臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“天河一號(hào)”。 2010年 5月 31日中國(guó)研制成功世界排名第二的 “ 星云一號(hào) ” 。 年內(nèi)中國(guó)即將宣布研制成功世界排名第一的計(jì)算機(jī),其硬件架構(gòu)都是 一、 程 適應(yīng)復(fù)雜運(yùn)算環(huán)境; 算單元多。 3、 一、 程 目前單個(gè) 80核 , 算速度非??臁?3、 0204060801001202003 2004 2005 2006 2007B/s)G P 0 U l t 0G 7 1N V 4 0N V 3 0H ap o w nW o o d c o t t E EN o rt h w o o B/s)一、 程 1060,可以用到普通的 能是 957億次),功耗只有 160瓦。 毫秒 ) 一、 程 毫秒 ) 內(nèi)存分配比較010203040506032*32 128*128 512*512 2048*2048 4096*4096 8192*8192圖像尺寸耗時(shí)(2 128*128 512*512 2048*2048 4096*4096 8192*8192圖像尺寸耗時(shí)(2 128*128 512*512 2048*2048 4096*4096 8192*8192圖像尺寸時(shí)間比間比間比一、 程 一、 程 一 二 三 技術(shù)展望 匯 報(bào) 提 綱 二、 1、應(yīng)用現(xiàn)狀 地球物理技術(shù)發(fā)展歷史與計(jì)算技術(shù)發(fā)展歷史是不可分割的。計(jì)算技術(shù)在石油物探中的應(yīng)用起始于二十世紀(jì)六十年代,但大規(guī)模的應(yīng)用開始于二十世紀(jì)八十年代??偨Y(jié)了過去 40年間地球物理計(jì)算的發(fā)展歷程,經(jīng)歷了四次重大變革。 (王宏琳教授) 20世紀(jì) 70年代 20世紀(jì) 80年代 20世紀(jì) 90年代 21世紀(jì)初期 2007 01020304050602001年 2002年 2003年 2004年 2005年 2006年 2007年 2008年 2009年系統(tǒng)數(shù)(個(gè))二、 1、應(yīng)用現(xiàn)狀 世界超級(jí)計(jì)算 500強(qiáng)地球物理應(yīng)用圖表 國(guó)外兩大主要地球物理服務(wù)公司 )數(shù)達(dá)到 10萬,形成強(qiáng)大的地震資料處理能力,尤其是地震疊前偏移成像能力。 國(guó)內(nèi)中國(guó)石油和中國(guó)石化各油田和研究機(jī)構(gòu)、技術(shù)服務(wù)公司也建立大型地震資料處理解釋中心,計(jì)算性能規(guī)模從數(shù)十萬億次到數(shù)百萬億次不等。 2009年 6月 29日發(fā)布的全球超級(jí)計(jì)算 500強(qiáng)中,地球物理應(yīng)用占有 43套。 2009年 11月 1日發(fā)布的中國(guó)超級(jí)計(jì)算 100強(qiáng)中,地球物理應(yīng)用達(dá)到 20套。 (據(jù)趙改善) 二、 石油物探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1、石油勘探開發(fā)技術(shù)的特點(diǎn):地震成像技術(shù)廣泛應(yīng)用,油藏描述技術(shù)水平不斷提高,地球物理技術(shù)應(yīng)用從勘探走向開發(fā),水平井 能井 互勘探或?qū)崟r(shí)勘探技術(shù)的提出等。 2、地震勘探特征:從疊后到疊前,從時(shí)間域到深度域,從單分量到多分量,從聲波到彈性波,從構(gòu)造成像到巖性反演、儲(chǔ)層特征描述,從單一技術(shù)應(yīng)用到多技術(shù)綜合,從勘探到開發(fā)及勘探開發(fā)的一體化,數(shù)據(jù)量和計(jì)算量成指數(shù)增加等。 3、未來一段時(shí)間內(nèi)地震勘探技術(shù)發(fā)展:萬道以上地震儀得到廣泛應(yīng)用,高密度單點(diǎn)地震技術(shù),高精度或高分辨率地震勘探技術(shù)將成為未來一段時(shí)間的主流。 從地震數(shù)據(jù)處理方面來看,疊前時(shí)間偏移已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)化處理流程中的一個(gè)常規(guī)處理內(nèi)容,波動(dòng)方程疊前深度偏移將更加廣泛應(yīng)用,逆時(shí)偏移技術(shù)將逐漸成為主流技術(shù)。 綜合利用多分量地震勘探信息的彈性反演技術(shù)將成為由地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地層、油藏信息主要手段。 這些都將帶來 巨大計(jì)算量的需求 ,是我們未來一段時(shí)間面臨的重大挑戰(zhàn)。 年 份 2003 2005 2010 2015 未來 面積( 500 500 1000 1000 1000 面元大?。?25000蓋次數(shù)(次) 60 60 100 100 100 記錄分量數(shù) 1 1 1 3 3 記錄長(zhǎng)度( s) 6 6 6 6 6 采樣率( 2 1 前數(shù)據(jù)總道數(shù)(道) 3000萬 4700萬 6億 36億 144億 疊前數(shù)據(jù)量 36020008000后數(shù)據(jù)總道數(shù)(道) 100萬 160萬 1250萬 1250萬 5000萬 疊后數(shù)據(jù)量 12000型地震勘探數(shù)據(jù)規(guī)模預(yù)測(cè)一覽表 二、 二、 2、疊前成像對(duì)計(jì)算性能的要求 不同方法的計(jì)算量預(yù)測(cè)0500001000001500002000002500002003年 2005年 2010年 2015年 未來浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)(*7)炮域波動(dòng)方程地震疊前成像始終是地球物理的焦點(diǎn)。自 20世紀(jì) 70年代初至今,波動(dòng)方程偏移經(jīng)歷了發(fā)展停滯再發(fā)展的階段。到 20世紀(jì) 90年代,隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,再次把偏移技術(shù)推向了發(fā)展高峰。 21世紀(jì),波動(dòng)方程疊前偏移技術(shù)得到較快發(fā)展。 大規(guī)模集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用,疊前時(shí)間偏移技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為常規(guī)化;疊前深度偏移由基于射線的克?;舴蚍e分算法向波動(dòng)方程算法發(fā)展;深度域疊前屬性分析技術(shù)和各向異性介質(zhì)疊前偏移技術(shù)將成為下一個(gè)發(fā)展方向。 近年來,隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,在基于單程波波動(dòng)方程算法的地震成像技術(shù)得到應(yīng)用的同時(shí),基于雙程波波動(dòng)方程算法( 逆時(shí)偏移 )的地震成像技術(shù)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 計(jì)算量提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)至數(shù)十倍 。 二、 2、疊前成像對(duì)計(jì)算性能的要求 2008年, 70%左右機(jī)時(shí)用于疊前深度偏移 2005年, 90%左右機(jī)時(shí)用于疊前時(shí)間偏移 二、 單個(gè) 前時(shí)間偏移運(yùn)算速度可以達(dá)到百倍以上;硬件成本可降低 90%以上;機(jī)器體積不足原來的 3節(jié)電95%以上。 總時(shí)間比和核時(shí)間比0246810121416182032*32 128*128 512*512 2048*2048 4096*4096 8192*8192圖像尺寸時(shí)間比間比間比050000010000001500000200000025000002001年 2002年 2003年 2004年 2005年 2006年 2007年 2008年 2009年峰值性能(G F l o p s )處理器數(shù)(個(gè))010203040506070單一處理器架構(gòu)異構(gòu)處理器架構(gòu)架構(gòu)其他2、疊前成像對(duì)計(jì)算性能的要求 二、 3、 國(guó)內(nèi) 中科院地質(zhì)與地球物理研究所、同濟(jì)大學(xué)、 國(guó)石化南京石油物探研究院等分別利用 時(shí)偏移技術(shù), 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 西北分院、 大慶油田、勝利油田等單位已進(jìn)行 東方地球物理公司研究院,在做應(yīng)用 前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展; 2009年 等首先用 P 給出了利用 現(xiàn)高階有限差分的算法; 推動(dòng) 內(nèi)地球物理技術(shù)在 二、 基于 對(duì)稱走時(shí) 該方法突破了“常速層狀介質(zhì)或輕微變速層狀介質(zhì)”假設(shè)的限制, 在走時(shí)公式中,引入 速 度橫向?qū)?shù) ,提高走時(shí)計(jì)算精度,改善在復(fù)雜條件下的地震波的聚焦效果; 基于 ,提高時(shí)效。 橫向變速介質(zhì)波前面?zhèn)鞑?橫向變速速度模型 橫向變速造成時(shí)距曲線不對(duì)稱 V+ + 、 二、 左 ) 與 )對(duì)比 通過對(duì)比分析,單節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力(疊前時(shí)間域成像): 、 處理系統(tǒng) 硬 件 環(huán) 境 12節(jié)點(diǎn) 各節(jié)點(diǎn)單 核 主頻: 數(shù): 48 60節(jié)點(diǎn) 雙 四核; 主頻: 數(shù): 6080 12節(jié)點(diǎn) 型號(hào) :數(shù): 4*240=960 無 應(yīng)用軟件 彎曲射線 前時(shí)間偏移 測(cè) 試 情 況 面積( 380 數(shù)據(jù)量 (747 采樣( 2 20 道長(zhǎng)( 6000 面元( m) 25移距分組 48 200 輸出線數(shù) 401760 451800 輸出類型 移孔徑(半徑) ( s, m) T=300, 1500, 3000 X=300, 3500, 3500 Y=300, 3500, 3500 T=0,1500,6000 X=0,3500,3500 X=0,3500,3500 作業(yè)運(yùn)行時(shí)間 二、 基于 成像 三維單程波方程偏移主要計(jì)算量在于下行波場(chǎng)和上行波場(chǎng)分別在深度方向上向下延拓過程。該偏移算法其循環(huán)結(jié)構(gòu)為: 炮循環(huán)與每炮內(nèi)部的深度循環(huán) 。 根據(jù)三維單程波方程偏移成像算法的特點(diǎn), 外層循環(huán)單炮循環(huán)利用 通過進(jìn)程級(jí)粗粒度實(shí)現(xiàn)。在每炮內(nèi)部,數(shù)據(jù)的輸入輸出、除波場(chǎng)延拓和提取成像值外的其它運(yùn)算(如輸入單炮數(shù)據(jù)從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域、單炮成像結(jié)果疊加、偏移背景速度場(chǎng)的計(jì)算等)均在 4、 二、 模型數(shù)據(jù)不同偏移算法偏移效果對(duì)比 單程波偏移 克希霍夫偏移 速度模型 、 單程波波動(dòng)方程疊前深度偏移 不同偏移算法偏移效果對(duì)比 二、 通過對(duì)比分析,單節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力(單程波成像): 處理系統(tǒng) 硬 件 環(huán) 境 12節(jié)點(diǎn) 各節(jié)點(diǎn)單 核 主頻: 數(shù): 48 60節(jié)點(diǎn) 雙 四核; 主頻: 數(shù): 6080 12節(jié)點(diǎn) 型號(hào) :數(shù): 4*240=960 無 應(yīng)用軟件 單程波深度偏移 測(cè) 試 情 況 面積( 300 數(shù)據(jù)量 (487 采樣( 2 20 道長(zhǎng)( 6000 面元( m) 25移炮數(shù) 29328 30678 延拓深度 6000 5000 空間孔徑 X=500*25, Y=150*25 X=280*25, Y=280*25 頻率孔徑 T=0, 4000, 6000 F=50, 40, 30 F=868 作業(yè)運(yùn)行時(shí)間 402小時(shí) =平均每炮時(shí)間 二、 基于 成像 三維雙程波方程單炮逆時(shí)深度偏移主要計(jì)算量在于震源波場(chǎng)和檢波器波場(chǎng)分別在時(shí)間方向上傳播過程。該算法震源波場(chǎng)為正時(shí)間傳播過程,檢波器波場(chǎng)為反時(shí)間傳播過程,采用零延遲互相關(guān)成像條件成像。 該偏移算法其循環(huán)結(jié)構(gòu)為: 炮循環(huán)與每炮內(nèi)部 的時(shí)間循環(huán) ,每個(gè)時(shí)間步驟由三維差分構(gòu)成。根據(jù)逆時(shí)偏移算法特點(diǎn),外層單炮循環(huán)利用 4、 二、 理論模型試算 型 速度模型 二、 理論模型試算 型 單程波偏移 克?;舴蚱?逆時(shí)偏移 速度模型 20 二、 單程波偏移結(jié)果 逆時(shí)偏移結(jié)果 二、 逆時(shí)偏移 單程波動(dòng)方程偏移 、 通過對(duì)比分析,單節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力(雙程波成像): 處理系統(tǒng) 硬 件 環(huán) 境 12節(jié)點(diǎn) 各節(jié)點(diǎn)單 核 主頻: 數(shù): 48 64節(jié)點(diǎn) 雙 四核; 主頻: 數(shù): 6412 12節(jié)點(diǎn) 型號(hào) :數(shù): 4*240=960 無 應(yīng)用軟件 逆時(shí)深度偏移 雙程波深度偏移 測(cè) 試 情 況 面積( 300 數(shù)據(jù)量 (487 采樣( 2 20 道長(zhǎng)( 6000 面元( m) 25移炮數(shù) 29328 30678 延拓深度 5000 5000 時(shí)間延拓 波主頻 F=20 F=18 作業(yè)運(yùn)行時(shí)間 205小時(shí) =1008小時(shí) =42天 平均每炮時(shí)間 前時(shí)間偏移 程波 384 190 時(shí)偏移( 1008 202 值 1: : P U 與C P U 運(yùn)行時(shí)間比020040060080010001200h)0510152025303540處理系統(tǒng) 硬 件 環(huán) 境 12節(jié)點(diǎn) 各節(jié)點(diǎn)單 核 主頻: 數(shù): 48 64節(jié)點(diǎn) 雙 四核; 主頻: 數(shù): 6412 12節(jié)點(diǎn) 型號(hào) :數(shù): 4*240=960 無 應(yīng)用軟件 逆時(shí)深度偏移 雙程波深度偏移 測(cè) 試 情 況 面積( 試驗(yàn) 300平方(實(shí)際數(shù)據(jù) 1440平方) 數(shù)據(jù)量 (487( 2300) 采樣( 2 20 道長(zhǎng)( 6000 面元( m) 25移炮數(shù) 29328 30678 延拓深度 5000 5000 時(shí)間延拓 波主頻 F=20 F=18 作業(yè)運(yùn)行時(shí)間 205小時(shí) = 41) 1008小時(shí) =42天 ( 2

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