并行技术促进地震偏移成像系统升级

□ 姚秋明 杨祥森

地球物理技术的发展与应用，高度依赖于包括高性能计算技术在内的信息技术，因而促使高性能计算技术在地球物理行业的应用不断发展，应用规模与领域不断扩大，技术与产品不断升级。2000年以来，集群计算技术得到了飞速发展，带来了地震数据处理系统平台的又一次更新换代，集群计算机系统基本上已经成为目前地震数据处理的唯一主流平台。

将并行计算技术与产品应于地震偏移成像计算

近年来，集群计算机系统的配置规模正在不断扩大，大型地震数据处理中心的集群系统规模已经达到上千个甚至数千个节点，计算能力普遍从百亿次级规模提高到目前的数万亿至数十万亿次规模。计算能力的提高，为地震偏移成像技术的应用打下了良好的基础，提高了地震资料处理的质量，也大大缩短了处理周期。

石油物探技术研究院积极贴近生产，致力于勘探开发领域新技术的发展，在主推的产品线iCluster地震偏移成像软件系统中大量运用流行的并行计算技术，促进自主知识产权软件的快速升级。

并行计算技术与产品已经发展到可以应用于地震偏移成像计算的程度，而推动这一工作进程的关键是软件的开发与移植工作。物探院经过认真调研分析，组织成立“面向千万亿次计算机的石油勘探地震成像系统”攻关项目组，制定出并行计算技术的方针，从最初的串行算法分析优化，到逻辑拆分为并行计算，再到并行计算的效率优化以及最后的计算结果分析。他们加大项目组内部交流，加强与千万亿次高效能计算机系统研制课题组、基础算法库与并行算法库课题组以及其他应用课题组之间的交流，通过交流及时了解信息、掌握技术、交流经验，充分利用项目组内部资源提高工作效率。

吊装钻探设备。范明摄

突破制约并行技术效能提升的“瓶颈”

iCluster地震偏移成像软件系统最早采用的并行化方案是基于MPI（多点接口）实现多节点间的并行，后来在实践中发现，MPI在节点数目较多时，由于网络通讯的开销，严重影响了并行计算优势的发挥，成为了制约并行化整体效能提升的“瓶颈”。为了解决这个问题，物探院组织技术专家多次讨论，设计“进程+线程”的多层次并行编程模型，该编程模型很好地映射了多处理器计算机组成的集群体系结构，采用MPI与多线程的多层次并行编程模型，能有效地挖掘其并行计算潜力。现今，他们已实现了波动方程叠前深度偏移（PSDM）、基于Kirchhoff积分法的真地表叠前深度偏移（KPSDM）和基于Kirchhoff积分法的叠前时间偏移（KPSTM）三个模块在天河一号超级计算机系统上的软件移植与性能优化，测试性能良好，具备良好的并行线性加速比，实现了集群计算机系统的地震成像处理的高效运行。

地震偏移成像系统升级改造效果明显

目前，物探院承担的“面向千万亿次计算机的石油勘探地震成像系统”攻关项目，完成在国产千万亿次高性能计算机上实现多种叠前时刻偏移与叠前深度偏移算法的并行计算程序开发，具有一定的实用性和良好的并行加速比。研发的iCluster地震成像软件具有良好的可扩展性，可以有效使用4096个以上的处理器系统。完成三维理论模型测试数据集的正演模拟计算与偏移成像实际资料处理测试，尤其在国产千万亿次高性能计算机上完成了实际地震数据集的偏移成像处理测试，实现了大规模地震成像处理的高效运行，促进石油勘探地震成像技术的发展与应用，整体达到国际先进水平。

物探院运用并行技术改造升级地震偏移成像系统，实行理论模型模拟数据测试与实际地震数据测试相结合，在增强地震资料偏移处理效果的同时，有效提高系统的计算性能，提升iCluster地震偏移成像系统处理的效率，为大规模实际生产提供有利条件，推动了国产高性能计算机在石油勘探行业中的大规模应用，打造出石油物探软件精品，并为将来在大型云计算设备中集中部署国产自主知识产权软件奠定了良好基础。