近日，浪潮根據中國石化石油物探技術研究院的應用特點為其設計構建了CPU+MIC架構的高性能計算集群，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？
　　
　　中國石化石油物探技術研究院是中國石化油氣發(fā)展的重要參謀研發(fā)機構和物探高新技術和核心技術研發(fā)中心，擁有國內領先、國際先進的大型高性能計算機系統(tǒng)，承擔了國家及中國石化石油地球物理勘探方面的基礎性、前瞻性和重大項目攻關與核心技術研發(fā)，自主知識產權物探專業(yè)軟件開發(fā)及產品推廣，新技術應用試驗，并提供全方位的物探技術支持與服務，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變?yōu)殡娮有盘柡蟠鎯閿祿ㄟ^對這些數據的分析處理，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據通常以TB計，近年來甚至向PB的規(guī)模發(fā)展，如此海量的數據及通信量對系統(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用領域中最高的。
　　
　　中國石化石油物探技術研究院主要采用PSTM（疊前時間偏移）方法作石油勘探方面方面的信息處理。實際應用中，PSTM占據了絕大多數的集群計算時間，而中國石化石油物探技術研究院的高性能集群采用純CPU的架構，如果想實現較高的性能，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研究院希望在構建新集群時能夠充分考慮加速比和性價比的平衡。
　　
　　CPU+MIC架構讓性能和成本平衡
　　
　　在深入分析了中國石化石油物探技術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了性能的飛躍，浪潮工程師將之成為“MIC集群設計三部曲”。
　　
　　首先，分析PSTM（疊前時間偏移）應用，決定其是否適合使用MIC加速技術，其次根據應用特點規(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研究院和英特爾一起合作開發(fā)、優(yōu)化MIC應用，讓應用的效率更高。
　　
　　MIC集群三部曲第一部：應用特點決定MIC架構
　　
　　在應用分析方面，浪潮首先對石油勘探領域的應用特點及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，十分適合做異構加速。
　　
　　一般來說，異構加速技術的瓶頸在于應用程序開發(fā)，往往需要花費開發(fā)人員大量的時間。考慮到這些問題，浪潮在該項目中引入了MIC架構。MIC架構能夠支持標準化、現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準的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用和運行在標準的至強處理器平臺之上。
　　
　　MIC集群三部曲之第二部：MIC架構集群設計
　　
　　在掌握了應用特點的基礎上，浪潮為中國石化石油物探技術研究院設計構建了一套140CPU節(jié)點+28MIC節(jié)點的異構節(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服務器和倚天NF5288服務器。NX5440服務器是浪潮刀片服務器中的旗艦產品，是業(yè)界最高密度的刀片服務器，具備獨有的散熱體系結構設計，可以大幅度降低使用功耗。而浪潮倚天NF5288服務器是企業(yè)級異構應用旗艦產品，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研究院配置了浪潮ClusterEngine高性能計算服務平臺。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、便捷且能夠完整調度CPU+MIC異構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應用優(yōu)化
　　
　　除了應用分析和設計構建CPU+MIC架構集群之外，浪潮還與中國石化石油物探技術研究院、英特爾三方聯(lián)合成立項目組，研究和開發(fā)針對MIC異構架構的PSTM應用的開發(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研究院重點提供PSTM算法、數據劃分設計、數據測試等支持，浪潮實現從CPU到MIC的平臺的代碼遷移與優(yōu)化及PSTMMIC集群版本框架設計工作，英特爾給予MIC技術支撐與項目管理工作。
　　
　　最終，三方在既定的時間內合作完成單MIC節(jié)點，2CPU+2MICs協(xié)同計算PSTMMIC版本，經過實際數據測試，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，應用分析、集群設計和應用開發(fā)組成的三部曲實現了成本和性能之間的平衡。浪潮集團高性能計算總經理劉軍介紹：“構建MIC架構集群的關鍵是將應用優(yōu)化和系統(tǒng)構建結合起來。浪潮不僅為用戶構建MIC架構的集群，更重要的是我們還為客戶開發(fā)和優(yōu)化專門針對MIC架構的應用，省去用戶面對新系統(tǒng)架構時的后顧之憂。”