Overlegen seismisk billeddannelse for bedre boring

Software kan transformere underjordisk billeddannelse af fossile brændstofreserver ved at levere hidtil usete detaljer på rekordtid.

For et olierigt land som Kongeriget Saudi-Arabien, seismisk billeddannelse er afgørende for effektiv udvinding af fossile brændstoffer. Ny software, kendt som GIRIH, kunne forbedre det underjordiske billeddannelsessystem til mere præcis boring af oliebrønde.

Seismiske billeder skabes ved at hoppe lydbølger ud af underjordiske geologiske strukturer for at hjælpe med at identificere potentielle områder af olie og gas. At analysere disse data for at generere nøjagtige billeder tager betydelig tid og computerkraft. Jo mere kompleks undergrunden, jo mere finkornet og detaljeret skal analysen være; og de mere fysiske parametre inkluderet (relateret til forskellige bølgeudbredelsesegenskaber gennem forskellige bergarter), jo større efterspørgsel på beregningskrav (hukommelse og behandlingstid).

Forskere ved KAUST's Extreme Computing Research Center (ECRC) arbejder tæt sammen med olieselskabet Saudi Aramco i et ambitiøst projekt, ExaWave, at designe og integrere ny software i billedanalyseplatforme. "Exa" refererer til Aramcos forberedelse til at migrere deres arbejdsbyrde til nye exascale -arkitekturer, i stand til at udføre en milliard-milliarder operationer i sekundet. Dette partnerskabs arbejde vil lette hurtige, nøjagtig og bæredygtig udvinding af fossilt brændstof.

For at fremtidens højtydende computermodeller fungerer effektivt, interaktionerne mellem software- og hardwarearkitekturer skal forfines. Hatem Ltaief, David Keyes og deres team ved ECRC redesigner numeriske algoritmer for at tilpasse de matematiske modeller til den nye hardware.

"Der er et uoverensstemmelse mellem, hvor computinghardwaredesign er på vej i den nærmeste fremtid, og hvordan traditionel software er designet, "siger Ltaief." Fremtidige hardwaresystemer vil bestå af tusindvis af behandlingsenheder (eller kerner) på hver node med et dybt hukommelseshierarki. Imidlertid, de fleste aktuelle videnskabelige koder er ikke klar til at udnytte denne teknologi. "

Parallel computing kræver, at store beregningsopgaver opdeles i mange mindre opgaver, der behandles uafhængigt, før de kombineres til en komplet løsning. Den populære programmeringsmodel - synkronisering af flere kerner for at fuldføre hele opgaver - kan hæmme ydeevnen, fordi ikke alle kerner slutter på samme tid (afhængigt af hastighed og arbejdsfordeling), og hurtige kerner skal vente på, at langsommere kerner er færdige.

"Udviklere skal redesigne software for at reducere synkronisering inden for flere opgaver og begrænse bevægelsen af ​​data inden for hukommelseshierarkiet, så der er færre tidskrævende hukommelsesadgang, "siger Ltaief." Det er det, vi har opnået med vores nye software, GIRIH, og det kan muligvis bruges til flere modelleringsapplikationer. "

GIRIH -softwaren bygger på arbejde fra en tidligere KAUST -doktorand, Tareq Malas, der nu arbejder hos Intel i USA. Softwaren er designet til at løse delvise differentialligninger gennem udbredt stencilberegning. Stencilrammer deler et tredimensionelt rum op i et gitter. Værdien af ​​hver celle i gitteret ændres i henhold til værdierne for omgivende celler - stencykoden angiver, hvilke celler der skal bruges til at beregne værdien af ​​en given celle.

I tilfælde af seismisk billeddannelse, bølge ligninger, som har egenskaber, der varierer over tid og rum, løses ved hjælp af stencilrammen. GIRIH opdeler gitteret i fliser, der hver repræsenterer et bestemt antal celler over en bestemt tidsperiode (se øverste billede). GIRIH behandler derefter fliserne som uafhængige beregningsopgaver, som udføres på den underliggende hardware parallelt. På denne måde, synkronisering erstattes af opgaver, der blot venter på nabofliser, hvis data de er afhængige af.

"Denne flisebelægningsstrategi i rum og tid dræber i det væsentlige to fugle med ét smæk. Det reducerer synkronisering og reducerer datahentningstid ved at genbruge allerede cachelagrede data placeret i det høje niveau i hukommelseshierarkiet, "siger Ltaief." Shaheen-2, de 200, 000-core supercomputer her på KAUST, vil være medvirkende under ExaWave -projektet, fordi det kan demonstrere GIRIHs ydeevne i en hidtil uset skala. "

Billederne i høj kvalitet, der genereres af GIRIH, skal hjælpe til boring af oliebrønde, måske endda i realtid, ved at give finkornet detaljer om det umiddelbare underjordiske område. På denne måde, GIRIH kan bidrage til at mindske miljøpåvirkningen af ​​olie- og gasudvinding ved at gøre boreprocessen mere præcis.

"Den berømte hockeyspiller, Wayne Gretzky, sagde engang 'en god spiller spiller, hvor pucken er, mens en fantastisk spiller skøjter til, hvor pucken kommer til at være! ', "siger Keyes." Dette er vores mål her på ECRC:at foregribe den fremtidige hardware-revolution ved at skabe højtydende videnskabelig software, der sikrer hele systemets modstandskraft og robusthed. "