背景 

 北京某油氣勘探公司是一家致力于開發(fā)一流油氣勘探軟件，并集地震資料處理與解釋、方法研究于一體的高科技公司。公司的雄心戰(zhàn)略來自公司的雄厚實力，公司2008年研制成功了基于NVIDIA GPU的《GPU\CPU協(xié)同并行計算系統(tǒng)》和《非對稱走時Kirchhoff疊前時間偏移》處理方法。該系統(tǒng)針對油氣勘探的復(fù)雜構(gòu)造成像難度大、疊前偏移運算時間長等問題，具有理論創(chuàng)新、技術(shù)先進(jìn)、方法獨創(chuàng)、節(jié)約能源、緊密結(jié)合實際生產(chǎn)等特點，在運算效率和處理效果方面具有其它同類軟件無法比擬的優(yōu)勢。目前，經(jīng)過大量測試及驗證，得到了業(yè)界的一致認(rèn)可和高度評價。

挑戰(zhàn)

  在地震勘探資料處理中，根據(jù)運算量的大小可以把處理技術(shù)分為兩大類：一類是目前CPU計算機可以滿足的普通處理技術(shù)，如解編、預(yù)處理、反褶積、靜校正、DMO、疊加、疊后偏移等；還有一類則是目前CPU計算機不能完全滿足的需要大量運算的處理技術(shù)，如疊前時間偏移、疊前深度偏移、波動方程偏移等。后者往往成為目前地震資料處理過程中的“瓶頸”所在。

       目前，人們往往使用大規(guī)模的X86服務(wù)器集群（圖1）來進(jìn)行疊前偏移處理，其原理是將數(shù)據(jù)先分配到各個CPU核上，然后由各個CPU核單獨進(jìn)行計算，最后將結(jié)果匯總輸出。這種做法消耗了大量的時間、電力和維護(hù)費用。而且，隨著人們對石油勘探地震資料處理的周期要求更加短，精度要求更加高，PC服務(wù)器集群的規(guī)模更加大，在系統(tǒng)構(gòu)建成本、數(shù)據(jù)中心機房空間、內(nèi)存和I/O帶寬、功耗散熱和電力限制、可管理性、編程簡易性、擴展性、管理維護(hù)費用等方面都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

（圖1）X86服務(wù)器集群

方案

      采用金品 KG 2210-G4為計算引擎，塔載自主研發(fā)的“非對稱走時Kirchhoff疊前時間偏移軟件“構(gòu)成“油氣勘探地震偏移GPU/CPU協(xié)同并行計算系統(tǒng)“解決了傳統(tǒng)CPU集群計算能力差、功耗高、管理難度大等一系列問題，提升近100倍的計算效率。

       KG 2210-G4 服務(wù)器在2U空間內(nèi)支持2顆Intel Xeon E5-2600V4系列處理器的同時支持4片NVIDIA Tesla P100加速器，實現(xiàn)40TeraFLOPS的浮點運算能力。將GPU和CPU兩種不同架構(gòu)的處理器結(jié)合在一起，組成硬件上的協(xié)同并行模式，同時在應(yīng)用程序編寫上實現(xiàn)GPU和CPU的協(xié)同配合的并行計算(CPPC)。協(xié)同并行計算(CPPC)機就是由CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行順序型的代碼，如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用，而由GPU來負(fù)責(zé)密集的并行計算。

金品 KG 2210-G4 AI Server

      借助Nvidia CUDA開發(fā)編程環(huán)境的支持，在偏移算法的基礎(chǔ)上，按照GPU原理及協(xié)同并行計算(CPPC)的思路，針對偏移算法中不同階段的運算特點，采用不同的軟件編寫策略，在程序的每一個環(huán)節(jié)更大的限度實現(xiàn)不同處理器協(xié)同計算。 

CPU-GPU協(xié)同計算

       具體實現(xiàn)上，多個GPU協(xié)處理器間均分成像面元。在每個GPU處理器內(nèi)部，對任務(wù)粒度進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分：每一個Thread Block分配一部分成像面元，每個面元內(nèi)的輸出地震道由一個warp的32個線程配合完成， 每個線程計算一部分輸出樣點。GPU內(nèi)部采用這種任務(wù)劃分方法，一方面可以產(chǎn)生足夠多的任務(wù)，另一方面可有利于全局內(nèi)存（global memory）合并訪問。通過將輸出地震道載入紋理內(nèi)存（ texture memory）可進(jìn)一步加速數(shù)據(jù)訪問性能，這是關(guān)鍵的優(yōu)化策略之一。在實現(xiàn)KPSTM在GPU協(xié)處理器的并行算法的過程中，其他的有效優(yōu)化方法還包括：減少每個線程使用的寄存器數(shù)量以提高occupancy，用CUDA流隱藏內(nèi)存到顯存的數(shù)據(jù)傳輸延遲等。 

影響

      基于GPU架構(gòu)的異構(gòu)集群，通過對KPSTM的算法進(jìn)行多層次的系列優(yōu)化后，Kirchhoff疊前時間偏移成像算法的性能得到了大幅的提升。表1為給出了KPSTM的CPU-GPU協(xié)同計算加速效果。在該表中，以CPU 的單個核的計算性能作為基準(zhǔn)。從該表中可看成，當(dāng)采用1個GPU協(xié)處理器時，加速比達(dá)到了36倍多，效率相當(dāng)于提升了35倍多。而采用兩塊GPU加速卡時，加速比達(dá)到了71倍，計算效率相當(dāng)于提升了70倍。

表1 CPU-GPU協(xié)同計算加速效果

       相對于傳統(tǒng)的服務(wù)器集群，相同規(guī)模的GPU超級計算機在性價比、占地空間、功耗等方面占據(jù)非常明顯的優(yōu)勢。GPU/CPU協(xié)同并行計算(CPPC)機將成為地球物理服務(wù)公司的新式武器，不僅可以實現(xiàn)低成本新建或改造大型超級計算中心，而且可以部署到散熱、供電、運維條件有限的特殊應(yīng)用場合，如野外現(xiàn)場、大處理中心的分站、勘探船，從而可以大大提高地震資料處理的效率，縮短處理周期。

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