从平衡计算出发 英特尔引领石油高性能计算走向百亿亿次

近日，发自2011年国际超级计算大会（ISC）的第37届全球高性能计算机500强（TOP500）排行榜吸引了IT业内外人士的高度关注，高性能计算系统与应用也成为了社会上的热点话题之一。而提到高性能计算，很多人会觉得它高高在上，与普通大众的生活很遥远，但通俗来说，它就是用于解决关系国计民生的一些重大问题的一种技术手段而已，例如高性能计算用于基因的解析和计算将有助于改善人们的健康问题；用于制造业将帮助我们设计出更好，更人性化的产品，用于气象预测则够尽可能精确预知天气的变化以便指导民众安排生产生活，而它用于油气勘探时，则能够帮助我们寻找到更多的工业体系运转所需的"血液"——石油。

谈到石油，大家的脑海中一定会迅速浮现出两件事情：一是中国的石油进口量越来越多，石油对外依存度已经接近60%。据海关总署最新公布的数据显示，中国持续刷新着原油进口的记录。2010年前四个月，中国进口原油8496万吨，同比增加9.1%，进口成品油1425万吨，同比增加18.3%，两者相加，中国几乎仅用4个月，就进口了1亿吨油品；二是成品油的售价越来越高，例如汽油价格在过去一年间"破7近8"的涨幅，就大大超出了众多有车一族的心理承受范围。

为什么我们需要进口如此多的石油？为什么油价会增长得如此之快？归结其原因，就是因为石油产量或进口量相对于需求的不足，而这种相关的不足也受到了石油勘探的影响——中国现在有相当数量的陆上老油田都面临着"二次开发"的挑战，其勘探难度相当之高，需要更强技术手段，特别是高性能计算技术的支持；中国海洋石油资源的贮藏量虽然丰富，但考虑到海洋更为复杂的地质结构，海底石油的勘探的难度更高，需要处理的数据量更大，也更需要先进的高性能计算等技术手段的应用和支持。

石油勘探与高性能计算

上述关于高性能计算与石油勘探的关系描述，可能会让不熟悉石油行业的人感到困惑。其实两者能够挂钩，是与今天石油勘探的方式与手段密切相关的——现阶段最流行、最精准的油气勘探法就是地震波法，其主要原理就是通过人工地震波，采集传入地下深处的不同形态岩层形成的反射波，转变为数据，并通过计算处理模拟勘探区域地下的地质构造。这样便可以精确地找到存有石油或天然气的岩层精确位置。由于地震波法勘探收集的数据通常都以TB计，在海洋勘探过程中收集到的数据容量更是会突破PB级别量，因此要处理这些海量的数据，就只能借助性能尽可能出色的高性能计算机，才能在最短的时间内完成，以实现最佳的勘探效益。

在2011年国际超级计算大会（ISC）上，英特尔公司副总裁兼数据中心事业部总经理施浩德（Kirk Skaugen）就指出，管理互联网共享数据的爆炸性增长、寻求应对气候变化的解决方案、管理不断增加的自然资源（如石油和天然气）开采成本以及应对各种各样的其他挑战，都需要更多的计算资源，而这些资源只能依靠越来越多的高性能超级计算机来提供。

那么，在高性能算机上，与石油勘探相关的数据又是如何处理的呢？简单来说，有两类应用与此相关，一是地震资料处理，一类是油藏模拟。前者要求高性能计算机必须要提供出色的浮点运算性能，而且在性能上要有很好的可扩展性，但对内存带宽的占用并没有特别的要求；后者则对系统的内存带宽要求较高，并需要大缓存支持。

以上这两类应用的需求，看起来通过具体相对应配置特征的服务器就可以解决，但是如果相关用户仅仅将视角放在服务器层面，却不一定能够获得理想的应用效果，这是因为高性能计算机虽从表面上看好似就是一台计算机，但其实它基本上都是一个高性能计算的集群系统，这个系统也需要同样强劲的存储和网络设备的支持，它们也和其他应用领域使用的IT基础设施一样，是以数据中心的形态出现的，因此石油行业用户要让自己的高性能计算机在处理勘探数据时发挥最大效用，就必须从更高的层面考虑，构建一个计算、存储和网格组件之间性能保持平衡、彼此配合"融洽"，具备性能、高能效、易管理的高性能计算数据中心，这样才能获得最高的业务执行效率和最佳的投资回报。

英特尔：在平衡计算理念上构建高性能计算数据中心

符合石油行业用户需要的，具备平衡特点的高性能计算数据中心应该如何设计和实现呢？有哪些IT厂商能够提供这样的支持呢？对此，以英特尔公司为主的致力于打造开放架构数据中心的厂商早有准备——英特尔早在两年前就成立了数据中心事业部（Data Center Group，DCG），开始将旗下服务器、存储和网络产品线的创新归入统一规划，以实现平衡计算的理念。

在这一理念下，英特尔认为整个数据中心的IT设备就相当于一个智能的大脑，担负计算任务的服务器就如同其专门判断和处理信息的神经元；存储设备则是可以收纳海量信息，并随时准备接受访问和更新的记忆细胞，而网络就是连通所有这些神经元和记忆细胞的神经连接，惟有三者在性能和功能上尽量实现平衡，才能实现最无缝的配合，以及1+1+1>3的应用效果。

在平衡计算理念的指引下，英特尔数据中心事业部今天在服务器、存储和网络这三条产品线上均已实现了具有重要意义的突破，已能够帮助用户打造具备出色互操作性，并能满足用户性能和功能需求的高性能计算用数据中心IT基础设施：

提供更强计算驱动力的"至强"芯

英特尔在服务器领域的创新，对于构建高效高性能计算数据中心来说是最为关键的，因为它将是其主要的性能输出引擎，是调动整个数据中心高效稳定运转的核心。针对石油行业的两类主要高性能应用——地震资料处理和油藏模拟应用，英特尔最新的双路服务器用至强5600处理器平台和针对关键业务的多路至强E7处理器平台堪称其理想之选。

基于至强® 5600处理器的服务器，非常适于构建侧重浮点计算性能的高性能计算集群。这款于2010年春季问世的处理器凭借业界领先的32纳米制程工艺和全新酷睿™ 微体系架构实现了比上一代产品高达60%的性能提升。据英特尔介绍，在配备至强®处理器5600处理器的平台上，有75%-80%的高性能计算应用均可以最佳状态运行。至强® 5600集成的英特尔® 睿频加速技术（Intel® Turbo Boost Technology）、英特尔® 智能节能技术（Intel® Intelligent Power Technology）等智能计算特性，还让高性能计算系统能即时感知应用负载的变化，从而以更高能效，更灵活地满足不同应用的需求，为高性能计算提供一个平衡高效的平台奠定了基础。

配备今年4月发布的至强® E7处理器的服务器，则得益于该处理器内置的30MB大容量高速缓存，以及对高容量（最高可达2TB）和高带宽内存子系统的支持，成为运行油藏模拟应用的适用平台。其最多达10个支持英特尔® 超线程技术的内核，也可为海量信息的高速处理增添助力——相比上一代至强® 7500系列处理器，它运行计算密集型应用的性能提升多达 40%，为大型科学研究提供了必要的计算能力、内存以及内存带宽。这款处理器也同样添加了对睿频加速和智能节能技术等技术的支持，能分别按需扩展性能、增强可靠性与可管理性。

与英特尔这两款服务器处理器平台搭配的，就是其功能强大、易于使用的一系列软件开发与优化工具以及相关的技术支持，这些工具包括有VTune™性能分析器、英特尔®编译器（Intel® Compilers）、Intel® Thread Checker、Intel® Performance Libraries、Intel® Threading Tools、Intel® Cluster Tools等，它们可以帮助高性能计算应用软件开发商或最终用户分析自己的服务器平台及应用软件特性，并最大限度优化其高性能计算机软硬件系统，发掘其最大性能潜力。世界领先的石油服务公司斯伦贝谢（Schlumberger）技术服务副总裁Jim Brady指出，"通过与英特尔的紧密合作和其行业领先的软件使用工具，我们很好地优化了我们的软件的扩展能力的性能。因此，我们的石油和天然气客户可以更好地理解液体流动和地质因素，更迅速，更确性，高效地推动能源勘探的发展。"

打造功能更丰富、更易用的开放存储系统

作为数据中心内贮存海量数据的存储设备，近几年来正随着各行各业数据量的爆炸性增长而逐渐走红，其受用户关注的程度，很多时候甚至还超越了服务器。而在英特尔平衡计算理念下的高性能计算数据中心解决方案中，对于存储相关产品的要求是，要让它能够为更多存储系统厂商所用，并在提供出色性能的同时，保证不同厂商的产品之间以及同一厂商的不同代产品之间，以及它们和数据中心内其他IT设备之间要实现更好的兼容、互操作和数据迁移能力。

为满足上述要求，英特尔将至强产品线延伸到了存储系统领域。除了基于开放、标准化架构的先天优势外，其面向存储系统的至强处理器还有一些亮点，也是它吸引存储厂商和用户的关键，那就是它们与服务器版的"同胞"一样，一方面借多核和先进微架构提供了非常出色的运算性能，另一方面也集成了有助于提升存储设备处理效率、能效和实现存储虚拟化的智能特性。这些亮点配合业界在英特尔架构上强大且成熟的应用开发能力，可帮助企业存储设备增添更多、更新的功能和应用模式，同时，特别是推进存储和服务器的融合，这可以形成兼具计算和存储能力、应用更具弹性，可及时适应用户需求变化、性价比也更为理想的解决方案。

面向存储的至强处理器得益于上述原因，很快就获得了企业存储设备厂商们的青睐。2010年绝大部分存储厂商发布的新品，都已转入英特尔架构的阵营，其中包括了日立数据（HDS）的高端新品VSP、IBM的中端新品Storwize V7000和NetApp的中高端新品FAS/V6200及V3200等。在这些业界伙伴的支持下，英特尔在外置磁盘存储处理器市场上，已经占到了70%-80%的份额。

在利用至强处理器支撑中高端企业存储系统的同时，在技术创新和市场拓展上均由英特尔公司引领的固态硬盘（SSD）产品，也可以为包括石油行业用户在内的高性能计算用户带来更为出色的系统性能体验。固态硬盘在寻道、数据连续和随机读写以及输入输出上数倍于传统硬盘的优势，再加上它源于非机械构造的、更高的可靠性，非常适于用作高性能计算集群每台服务器在内存与硬盘之间的缓存，这种类型缓存可以在运行应用时将其需要使用的数据先从硬盘中提取出来并进行缓冲存储，以供服务器的处理器及内存能够更快的对这些数据进行读取和写入。这无形之中将大大提升高性能计算集群的工作效率，因此也成为了高性能计算行业公认且推崇的一种全新应用模式。

辅开带宽更高、更为易用的信息"生命线"

在英特尔高性能计算数据中心解决方案中，以以太网技术为基石的网络产品堪称信息"生命线"。英特尔在这一领域的主力产品就是万兆以太网相关产品。若只从规格上来看，万兆以太网相对于千兆以太网的优势在于带宽大增，延迟降低和可靠性提升。但在真实应用环境中，其功效还不限于此。企业用户在万兆以太网出现之前常通过在单台服务器上配备多个千兆网络适配器，并对其端口带宽进行汇聚来获得更高网络带宽。使用万兆产品后，他们就可以通过简化服务器网络适配器和相关网络设备达到同样目的，英特尔称这种简化可使数据中心里每机架功耗降低45%、网络线缆和交换机的接口减少80%、用户花费在数据中心基础设施上的成本降低15%，并使每个服务器的联网带宽提升达2倍。此外，万兆以太网也可以为千兆以太网和Infiniband之间较大的跨越架起沟通的桥梁。

在上述应用优势的基础上，英特尔还正在数个环节上对万兆以太网进行技术革新，以求进一步提升它在平衡的数据中心解决方案中的应用表现：一是在万兆以太网网卡上增添对更先进的多队列技术的支持，以求为用户们未来采用性能更强的多核处理器以及更充分地利用其计算力保留出足够的空间；二是利用万兆以太网推进统一网络的构建，例如在今年为其万兆以太网服务器适配器X520系列增添了开放式光纤通道以太网软件堆栈的免费升级，以促进对存储网络的融合，使数据中心的网络架构进一步简化、统一化，从而降低用户的成本和加快其软硬件设备的部署和应用；三是努力降低万兆以太网的使用成本，例如计划在今年内提供板载的万兆以太网适配器，以促成万兆端口价格在2012年降至500美元以下的目标。

源自至强E5的数据中心解决方案全面革新

面向服务器的双路及多路至强处理器平台，面向存储系统的至强服务器平台以及万兆以太网适配器，就构成了英特尔在高性能计算数据中心解决方案的计算、存储和网络产品的战术布局。按一般的思维，这三条产品线本来应该是各行其道，同步推进的，但是在平衡计算理念的指导下，在英特尔数据中心事业部的创新合力下，将于今年下半年问世的至强® E5处理器平台（代号为Romley），则有望为这三条产品线带来一次全面革新的机会。

至强® E5处理器平台对于服务器的革新，是因为它将成为至强® 5600处理器的继任者，担起双路服务器市场主力平台的职责，在这方面，它带来的提升主要表现在它在性能和能效上的提升，而这将主要源于它将采用的全新Sandy Bridge微架构。虽然目前还没有更多数据表明它可以带来多大幅度的进步，但从英特尔台式机及笔记本电脑处理器更换Sandy Bridge微架构后的表现来看，继续赢得企业用户的青睐对它来说应该不是挑战，更况且它新添的AVX（高级矢量扩展）指令集，以及相对应的较高宽度矢量处理单元就是加速浮点计算密集型应用而生，该技术使用最小的核心面积实现了双倍的浮点吞吐量，之前一代产品，峰值浮点性能可翻一番。预计在注重浮点计算性能和并行处理能力的高性能计算领域，它一定能发挥出更强的威力。

至强® E5处理器平台对存储系统的应用优势，则是来自它对于RAID加速和SAS技术（Serial Attached SCSI，串行连接SCSI）等存储技术的支持，这些技术是构建企业级中高端存储系统所必须的，而E5处理器平台集成这些功能，自然就会推动服务器与存储的融合。

在网络方面，至强® E5平台带来的板载万兆以太网适配器，这将让以这款平台为基础来设计和生产服务器的厂商得以生产出标配万兆以太网连接能力且价格也可以让用户接受的服务器，此前曾因成本原因对万兆以太网持观望态度的用户也有望比其预想的时间表更提前一些用上这项技术，这将对整个万兆以太网技术的进一步普及带来一股强劲的推力。

英特尔集成众核（MIC）架构引领行业走向百亿亿次计算时代

至强® E5处理器平台虽然能够为英特尔的高性能计算数据中心解决方案带来全面的提升机会，但英特尔公司也意识到，如果要用至强处理器这样通用处理器产品来突破目前高性能计算所面对的每秒千万次亿浮点计算的性能标杆，向下一步的每秒百亿亿次浮点计算性能目标挺进，就必须大幅增加其部署数量，而这会带来系统能耗上的巨大提升，是任何一个用户都无法承受的。

有鉴于此，英特尔早在数年前就开始了对于高性能并行计算专用加速技术的研究与开发，而今，其正式名称——英特尔®集成众核（Intel Many Integrated Core，Intel MIC）架构已为业内人士所熟知。与其他IT厂商提供的类似产品或解决方案相比，英特尔® 集成众核（MIC）架构最强的优势就是基于已被业界广泛接受和应用的英特尔架构，因此其相关应用的开发和优化也沿用了用户们熟悉的编程模型和编程环境，这使得用户可以利用前文所述的英特尔软件开发和优化工作的特别版本，在非常短的时间内将其现有的、运行在英特尔架构处理器平台上的高性能计算应用迁移到基于英特尔®集成众核架构的产品上运行，并通过简单的优化就能获得可观的性能提升，而这将为用户带来的应用性能迅速增长和既往软件投资得以保全的双重收益。

在近日举行的2011年国际超级计算大会期间，英特尔®集成众核（MIC）架构的上述亮点就得到了实际验证。来自德国莱布尼茨超级计算中心的Arndt Bode教授表示：英特尔® 集成众核（MIC）架构在编程模式上的优势可以让我们把英特尔® 至强® 处理器上的应用快速扩展到用于英特尔®集成众核架构相关应用开发和优化的平台上。该工作负载最初是专为英特尔® 至强® 处理器开发和优化的，但是由于英特尔® 集成众核（MIC）架构采用了我们熟悉的编程模式，我们在几个小时内就能针对英特尔® 集成众核 （MIC）架构优化其代码，同时实现超过每秒6500亿次浮点计算的性能。来自韩国科学技术信息研究所（KISTI）和欧洲原子能研究机构（CERN）的技术专家也表示：他们发现其应用代码在经过了优化后，都可以英特尔®集成众核（MIC）架构应用开发平台增加内核数量时，呈现近乎线性的应用性能增长。

上述来自用户的体验都表明，英特尔®集成众核（MIC）架构将是英特尔引领整个IT行业及所有高性能计算用户走向百亿亿次计算时代的关键所在。而每秒百亿亿或数百亿亿次浮点计算的性能指标相当于目前全球最快高性能计算机的百倍之多，如此大的性能提升将带来更大的应用空间，让用户能够以更加精细先进的处理方法，来计算更多、更大规模的数据，最终获得更为精准的结果，这对石油勘探来说，就是对石油贮藏更快更精确的定位，以及之后更快的开采速度和更低的开采成本。

据英特尔介绍，备受业界期待的、基于英特尔集成众核（MIC）架构的首款产品（代号为"Knights Corner"）计划采用英特尔支持创新的3-D三栅极晶体管的22纳米制程技术生产，在其及后续产品的帮助下，英特尔预计2011－2020年这个十年期的末期，高性能计算用户将步入百亿亿次计算时代，其时全球最快的高性能计算机的性能，还将有望达到每秒4百亿亿次浮点计算。

携手石油行业用户共迎未来挑战

打开百亿亿次计算时代之门的技术之匙——英特尔®集成众核（MIC）架构令人期待，英特尔目前提供的高性能计算数据中心解决方案也同样赢得了众多高性能计算用户，包括石油行业用户的青睐——据最新公布的第37届全球高性能计算机500强（TOP500）排行榜显示，总计有387套上榜系统，即超过77%的上榜系统是基于英特尔处理器构建的。今年新上榜的系统中有近90%采用了英特尔处理器，而在这些新上榜的系统中，有超过半数的系统均配备了英特尔最新的至强® 5600系列处理器，这使得仅基于该款英特尔处理器的上榜系统在整个全球高性能计算机500强（TOP500）排行榜上所占的份额就超过了35%，与去年相比增长了2倍。此外，在这份最新榜单排名前十的上榜系统中，基于英特尔处理器的系统也有5套之多。

如果从所有行业细化到石油行业，在每半年发布一次的全球高性能计算机500强（TOP500）排行榜和年度性的中国高性能计算机100强（TOP100）排行榜上，我们也能直观地了解到全球及中国石油行业用户对于英特尔产品和技术的信赖：从2009年6月的榜单到目前刚刚发布的2011年6月榜单，整整五届TOP500排行榜上与石油勘探或地球物理应用相关的上榜系统都是清一色基于英特尔®至强®处理器构建。而最新的2010年中国TOP100排行榜上，16套与石油行业相关的上榜系统中也有15套采用了英特尔的处理器。

这份信赖源于用户们与英特尔公司长期的接触与合作，例如中国石油企业与中国其他行业客户相比接触高性能计算技术的时间较早，并对这种技术有很高的依赖度，因此它们也是英特尔在中国最为重视的高性能计算客户群之一。为帮助中国的石油企业获得更好的高性能计算应用体验，加速其石油勘探进程，进而提升它们的核心竞争力，英特尔正在与业界合作伙伴一道，为打造全面平衡的高性能计算数据中心提供坚实的基础。

着眼未来数年，相信经济改革已初见成效的中国在经济发展上的步子会越走越快，越走越稳，对于石油这一重要能源的需求会越来越强烈，对于石油勘探的效率和精度的要求也将与日俱增。英特尔有信心通过提供基于平衡计算理念，在性能、功能和应用体验上更为出众的数据中心产品及解决方案，来帮助中国石油行业用户构建够用、适用、好用的高性能计算系统，并引领他们从千万亿次计算时代，逐步走向百亿亿次计算时代，以技术的力量破解他们面临的挑战，实现与中国高性能计算产业及最终用户的持续共赢。