刀片服务器在石油领域的应用

1.石油领域的应用介绍

石油作为工业的血液，一直是推动世界经济增长的动力。从对一个原始区块的勘探到将石油源源不断的输送至千家万户手中，需要经过多种处理，多个流程。首先要做的就是地质勘探工作，其次是钻井取心过程，最后是开采与储运过程。在各个环节内都需要用到计算机，作为控制的手段，小到桌面PC机，大到成千上万个处理器同时工作的超级计算机，均起着重要作用。尤其是在地质勘探过程中，计算机尤为重要。纵观中国地质勘探的历史，在一定程度上也反映了计算机发展的历史。

地球物理勘探（简称物探）包括重力勘探、磁法勘探、电法勘探以及地震勘探。重力勘探、磁法、电法均用相应的高精度仪器对地下构造进行探查，上世纪30年代以来，地震勘探面世后，逐渐成为物探的主流手段。

人们通过汽枪、放炮等人工手段获得原始的震源，由检波器在分布于震源附近的检波点定时收集一系列脉冲信号，从而采集到大量原始的地震波信号。随后把海量数据输入到超级计算机里，运行帕拉代姆、CGG、OMEGA、Landmark、GeoEast等地震资料处理软件，经过常规处理以及叠前偏移等过程，最终得到一个地震剖面图。然后由经验丰富的地质专家通过解释地震剖面图，得到地层的构造情况，从而为石油和天然气矿藏的识别提供依据。其中地震资料处理的过程，因为数据量、计算量和通讯量都很大，所以对计算机的存储能力、计算能力和I/O通讯能力都提出了很高的要求。而这正是高性能计算机的擅长之处。

地震资料的处理与解释是石油勘探和开发工程的一个重要组成部分。该项任务需要建立一套技术成熟、计算机处理能力强大、处理软件先进、网络传输快速的计算机系统作为保证。应用全三维处理与连片技术和叠前偏移技术，是目前解决复杂区域地震成像问题的方向，而选择高性能超级并行计算机是实现该目标的基础和保证。

2.应用特点

2.1.地震资料处理、解释过程
 
如上图所示：地震资料处理的过程是首先把记录采集到地震信息的磁带上的大量数据输入到专用的电子计算机中，按照不同的要求用一系列功能不同的程序进行处理运算，把数据进行归类编排，突出有效的，除去无效和错误的，最后把经过各种处理的数据以波形、线形的形式绘制在胶片上或静电纸上，形成一张张地震剖面。

野外的原始数据通过上图右上角的“输入/出系统”中的磁带机设备进入到我们的处理环境中的左上角的存储系统。计算节点按照不同的要求，用不同的程序处理存储系统中的数据，同时将处理完的数据回写到存储系统中，解释系统根据已有的经验以及不同的手段，将处理完毕的数据加以解释，实现对地震层位、断层数据的编辑、修改，以及添加上钻孔、巷道、边界等外围数据，最终得到地震解释成果图件。

其中每个过程都有其特定的应用特点。对于计算机而言，野外的原始数据采集过程大多使用磁带机设备作为数据的输入。地震数据处理过程是一个需要大量计算的过程，将处理完毕的结果交付给地震资料解释工序。此步骤对计算量的需求不大，较多的是交互式处理。

2.2.地震资料处理特点分析

在地震资料处理过程中最需要采用PC-CLUSTER的步骤是地震资料处理的偏移过程。随着计算机的发展，处理的手段也有了变化，从叠后时间偏移到叠后深度偏移到叠前时间偏移到叠前深度偏移。

在作偏移处理过程中，每个计算节点均是在作业递交伊始就到存储系统中去将自己所需要处理的数据取至本地硬盘，不需要与相邻节点交换数据，每个节点都各自运行自己的任务，但是在偏移过程中的任务也是分步处理的，每个步骤之间是有依赖关系的，也就意味着，当上一个步骤没有做完的时候是无法开始下一个步骤的。所以对于整个PC-cluster来说，必须将负载比较均匀的分配在硬件处理能力相当的一个cluster环境内才能协调好各种资源，以免出现cluster中的某些节点由于要等待其他运行较慢的节点作业的完成而无法开始下一个步骤的工作的情况。

综上所述，该应用是计算密集型应用，但在计算的开始阶段，属于I/O密集型应用。处理过程中计算节点之间的网络通讯并不多，取至本地硬盘后会有较多的中间数据处理过程。本地的I/O需求也较大。要求计算节点较高的的访存能力，且对于处理应用来讲，其应用比较单一，不需要较多的扩展能力。

对于计算节点的技术路线表现为；

具有较强的CPU处理能力
具有较高本地I/O带宽
不需要太多的内存容量
没有其它扩展需求
计算节点规模都比较大，要考虑计算节点的可维护性
系统长时间、满负荷运转，负载较重

3.刀片应用特点

曙光在2007年研发了自己的刀片服务器，是唯一的一家有能力自主开发刀片产品的服务器厂商。曙光的刀片产品有自己的特点。

曙光刀片采用双热插拔SAS硬盘设计，从性能上分析，SAS硬盘的速度会高于SCSI硬盘的速度，所以一定程度下可以提升系统的运行速度。从应用上分析，我们采用双硬盘设计，可以配置一块为系统硬盘，另外一块配置为存放中间数据的硬盘，如此在大量IO之后的数据盘即便有损伤也不会影响到系统硬盘，保证系统的可用性设计。从维护角度分析，硬盘是易损设备，常常需要更换，热插拔设备提升了系统的可维护性。

对于石油应用，pc-cluster的规模都是很庞大的，如此对于服务器就有更明确的需求。从机房角度考虑，必须考虑到散热、噪音、以及功耗的因素。采用刀片式服务器可以在一定程度下降低系统的功耗，但是对于机房散热要求会更高。同时对于刀片的供电方式也是在大规模机房部署时需要考虑的问题。我们建议采用低功耗的处理器构建cluster环境，不仅可以减少系统的整体功耗，从另一个角度讲还可以缓解散热的问题。

石油是一种很成熟的高性能计算应用。在计算机发展早期的时候就已经大规模使用计算机了。这种情况导致了很多石油的软、硬件产品的升级、换代都十分谨慎，一个新产品、新技术的引进都导致很多环节的连锁反应。例如地震资料处理环节中，野外施工中用于存放原始数据的大部分还是使用老式的SCSI 160时的磁带库设备。在处理中心的输入/出设备设计时就必须考虑与老式SCSI设备兼容的问题。为了保证整个处理中心的兼容性，除了用于数据处理的计算节点可以采用刀片式服务器设计，其他环节中的服务器设备还应采用更多扩展能力的机架式服务器产品构建。

4.友商的相关产品

IBM产品

在石油领域中IBM主打产品是HS21与JS21，在石油领域中，IBM刀片服务器的优势在于其用户的案例很多，在早期刀片的推广中，IBM做的工作很多，在用户中有了一定的应用。且石油用户之间的联系较密切，大多有从众心理，作为IBM的良性循环，其所占的份额越来越多。

其弱点在于用的用户越多，其暴露的问题也越明显，目前IBM的刀片产品最突出的问题就是其噪音和散热问题。刀片内部的散热风扇的噪音极大，很多用户无法忍受，虽然后期增加了消音器的设计，在一定程度上有所缓解。增加了消音器同时产生了新的散热问题。由于其刀片为7U14片设计，在狭小的空间内无法很好的解决短时间内将热量散出的问题，引发了用户的不满。消音器是通过海棉吸音的原理设计的，但同时消音器是安置于刀片的后部分，完全挡住了刀片的散热通路，更加重了散热的困难。

同时IBM的产品不是热插拔硬盘设计，在一定程度下影响了系统的可维护性。

HP产品

在石油领域中，HP的主打产品是c-class产品线。这条产品线有一个很强的优势就是设计灵活，应用多样化。但对于石油应用，用作地震资料处理的服务器应用很简单，而且全部都是采用同构性产品，所以在石油行业中HP的这些优势并没有得到很好的体现。

同时HP在石油领域中涉入的还不多，用户的根基不牢，导致产品虽然较IBM有更好的设计，真正的案例并没有IBM多。但随着用户的更加成熟，也有用户逐渐从IBM的战场开始转移。

Verari产品

Verari是美国的服务器硬件提供厂商，该公司的产品目前主要以刀片式服务器为主，其进入中国时间不久，但由于其有着深厚的客户基础，在石油领域也占据着一定的比重。其产品的特色是采用双面插拔，中间自下而上送风设计，此种散热方式可以有效的降低刀片在局部空间内产生的热量。但verari的刀片体积较大，属于非标准机柜设计，在机房设计时造成很多不便。但目前verari在国内并没有部署较大的机构，导致其在石油中得不到很快的发展。

5.典型方案配置建议