近日，浪潮根據(jù)中國石化石油物探技術(shù)研究院的應(yīng)用特點為其設(shè)計構(gòu)建了CPU+MIC架構(gòu)的高性能計算集群，在沒有大量增加投資的前提下，大幅提高了中石化物探院石油勘探工作的效率。
　　
　　性能和成本的天平能否實現(xiàn)？
　　
　　中國石化石油物探技術(shù)研究院是中國石化油氣發(fā)展的重要參謀研發(fā)機構(gòu)和物探高新技術(shù)和核心技術(shù)研發(fā)中心，擁有國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進的大型高性能計算機系統(tǒng)，承擔(dān)了國家及中國石化石油地球物理勘探方面的基礎(chǔ)性、前瞻性和重大項目攻關(guān)與核心技術(shù)研發(fā)，自主知識產(chǎn)權(quán)物探專業(yè)軟件開發(fā)及產(chǎn)品推廣，新技術(shù)應(yīng)用試驗，并提供全方位的物探技術(shù)支持與服務(wù)，為中國石化可持續(xù)發(fā)展提供資源保證。
　　
　　目前，石油勘探作業(yè)以地震波法為主，簡言之，就是收集反射波并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘柡蟠鎯閿?shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的分析處理，就能找到存有石油或天然氣的巖層的精確位置。由于地震波法勘探收集的數(shù)據(jù)通常以TB計，近年來甚至向PB的規(guī)模發(fā)展，如此海量的數(shù)據(jù)及通信量對系統(tǒng)的存儲、計算和I/O通訊等方面都有極高的要求。因此，石油勘探離不開高性能計算，對高性能計算的要求也是諸多應(yīng)用領(lǐng)域中最高的。
　　
　　中國石化石油物探技術(shù)研究院主要采用PSTM（疊前時間偏移）方法作石油勘探方面方面的信息處理。實際應(yīng)用中，PSTM占據(jù)了絕大多數(shù)的集群計算時間，而中國石化石油物探技術(shù)研究院的高性能集群采用純CPU的架構(gòu)，如果想實現(xiàn)較高的性能，只能使用更多的節(jié)點進行堆疊，前期投資巨大。但是中國石化石油物探技術(shù)研究院希望在構(gòu)建新集群時能夠充分考慮加速比和性價比的平衡。
　　
　　CPU+MIC架構(gòu)讓性能和成本平衡
　　
　　在深入分析了中國石化石油物探技術(shù)研究院的實際情況后，浪潮制定了CPU+MIC的高性能計算集群方案，在不增加更多節(jié)點投資的前提下，大幅的提升了應(yīng)用效率。綜述浪潮提供方案的過程，可以清晰看出是從三個部分來實現(xiàn)了性能的飛躍，浪潮工程師將之成為“MIC集群設(shè)計三部曲”。
　　
　　首先，分析PSTM（疊前時間偏移）應(yīng)用，決定其是否適合使用MIC加速技術(shù)，其次根據(jù)應(yīng)用特點規(guī)劃和配置系統(tǒng)MIC節(jié)點，最后還跟中國石化石油物探技術(shù)研究院和英特爾一起合作開發(fā)、優(yōu)化MIC應(yīng)用，讓應(yīng)用的效率更高。
　　
　　MIC集群三部曲第一部：應(yīng)用特點決定MIC架構(gòu)
　　
　　在應(yīng)用分析方面，浪潮首先對石油勘探領(lǐng)域的應(yīng)用特點及PSTM（疊前時間偏移）進行了深入的算法分析，對算法并行度和并行方式的推理、論證和檢驗。
　　
　　在檢驗過程中，發(fā)現(xiàn)PSTM非常適合細粒度并行性算法，并且其限量化程度比較高，適合限量化計算，可擴展性高，十分適合做異構(gòu)加速。
　　
　　一般來說，異構(gòu)加速技術(shù)的瓶頸在于應(yīng)用程序開發(fā)，往往需要花費開發(fā)人員大量的時間?？紤]到這些問題，浪潮在該項目中引入了MIC架構(gòu)。MIC架構(gòu)能夠支持標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)有的編程工具和手段，大大方便了開發(fā)人員，并且在單個CPU芯片中融合了眾多核心，這些核心都能夠通過使用標(biāo)準(zhǔn)的C、C++和FROTRAN源代碼進行編程。而為MIC編寫的這些源代碼同樣可以應(yīng)用和運行在標(biāo)準(zhǔn)的至強處理器平臺之上。
　　
　　MIC集群三部曲之第二部：MIC架構(gòu)集群設(shè)計
　　
　　在掌握了應(yīng)用特點的基礎(chǔ)上，浪潮為中國石化石油物探技術(shù)研究院設(shè)計構(gòu)建了一套140CPU節(jié)點+28MIC節(jié)點的異構(gòu)節(jié)點系統(tǒng)，計算能力高達127萬億次。
　　
　　在計算節(jié)點方面，浪潮采用了NX5440服務(wù)器和倚天NF5288服務(wù)器。NX5440服務(wù)器是浪潮刀片服務(wù)器中的旗艦產(chǎn)品，是業(yè)界最高密度的刀片服務(wù)器，具備獨有的散熱體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以大幅度降低使用功耗。而浪潮倚天NF5288服務(wù)器是企業(yè)級異構(gòu)應(yīng)用旗艦產(chǎn)品，最高可支持4塊MIC加速卡，并且支持4塊MIC加速卡在300W功耗下同時進行，具備高密度和低功耗的特點。同時倚天NF5288服務(wù)器還支持9個PCIE3.0插槽，具備良好的擴展性。
　　
　　另外，浪潮還為中國石化石油物探技術(shù)研究院配置了浪潮ClusterEngine高性能計算服務(wù)平臺。ClusterEngine由浪潮自主開發(fā)，集成了作業(yè)管理、監(jiān)控、報警、文件管理、記賬統(tǒng)計、物理視圖等模塊，通過這些功能模板間的協(xié)作，可以為用戶提供簡單、便捷且能夠完整調(diào)度CPU+MIC異構(gòu)集群的完整集群平臺，降低了管理整個集群平臺的難度及成本。
　　
　　MIC集群三部曲之第三部：開發(fā)MIC應(yīng)用優(yōu)化
　　
　　除了應(yīng)用分析和設(shè)計構(gòu)建CPU+MIC架構(gòu)集群之外，浪潮還與中國石化石油物探技術(shù)研究院、英特爾三方聯(lián)合成立項目組，研究和開發(fā)針對MIC異構(gòu)架構(gòu)的PSTM應(yīng)用的開發(fā)和移植。
　　
　　在開發(fā)過程中，三方形成了非常詳細的分工，中國石化石油物探技術(shù)研究院重點提供PSTM算法、數(shù)據(jù)劃分設(shè)計、數(shù)據(jù)測試等支持，浪潮實現(xiàn)從CPU到MIC的平臺的代碼遷移與優(yōu)化及PSTMMIC集群版本框架設(shè)計工作，英特爾給予MIC技術(shù)支撐與項目管理工作。
　　
　　最終，三方在既定的時間內(nèi)合作完成單MIC節(jié)點，2CPU+2MICs協(xié)同計算PSTMMIC版本，經(jīng)過實際數(shù)據(jù)測試，MIC單節(jié)點版本性能是原單節(jié)點CPU并行版本性能的近5倍。
　　
　　在上述的方案中，應(yīng)用分析、集群設(shè)計和應(yīng)用開發(fā)組成的三部曲實現(xiàn)了成本和性能之間的平衡。浪潮集團高性能計算總經(jīng)理劉軍介紹：“構(gòu)建MIC架構(gòu)集群的關(guān)鍵是將應(yīng)用優(yōu)化和系統(tǒng)構(gòu)建結(jié)合起來。浪潮不僅為用戶構(gòu)建MIC架構(gòu)的集群，更重要的是我們還為客戶開發(fā)和優(yōu)化專門針對MIC架構(gòu)的應(yīng)用，省去用戶面對新系統(tǒng)架構(gòu)時的后顧之憂。”