Software zou ondergrondse beeldvorming van fossiele brandstofreserves kunnen transformeren door in recordtijd ongekende details te verschaffen.

Voor een olierijk land als het Koninkrijk Saoedi-Arabië, seismische beeldvorming is van vitaal belang voor een efficiënte winning van fossiele brandstoffen. nieuwe software, bekend als GIRIH, zou het ondergrondse beeldvormingssysteem voor nauwkeuriger boren van oliebronnen kunnen verbeteren.

Seismische beelden worden gemaakt door geluidsgolven tegen ondergrondse geologische structuren te laten weerkaatsen om potentiële gebieden van olie en gas te helpen identificeren. Het analyseren van deze gegevens om nauwkeurige beelden te genereren kost veel tijd en rekenkracht. Hoe complexer de ondergrond, hoe fijnmaziger en gedetailleerder de analyse moet zijn; en de meer fysieke parameters die zijn opgenomen (gerelateerd aan verschillende golfvoortplantingseigenschappen door verschillende gesteentetypes), hoe groter de vraag naar rekeneisen (geheugen en verwerkingstijd).

Onderzoekers van het Extreme Computing Research Center (ECRC) van KAUST werken nauw samen met de oliemaatschappij Saudi Aramco in een ambitieus project, ExaWave, om nieuwe software te ontwerpen en te integreren in beeldanalyseplatforms. "Exa" verwijst naar Aramco's voorbereiding om hun werklast te migreren naar opkomende exascale-architecturen, in staat om een ​​miljard miljard bewerkingen per seconde uit te voeren. Het werk van dit partnerschap zal een snelle, nauwkeurige en duurzame winning van fossiele brandstoffen.

Om toekomstige high-performance computermodellering efficiënt te laten werken, de interacties tussen software- en hardware-architecturen moeten worden verfijnd. Hatem Ltaief, David Keyes en hun team bij het ECRC herontwerpen numerieke algoritmen om de wiskundige modellen aan te passen aan de opkomende hardware.

"Er is een mismatch tussen waar het ontwerp van computerhardware in de nabije toekomst naartoe gaat en hoe traditionele software wordt ontworpen, ", zegt Ltaief. "Toekomstige hardwaresystemen zullen bestaan ​​uit duizenden verwerkingseenheden (of cores) op elk knooppunt met een diepe geheugenhiërarchie. Echter, de meeste huidige wetenschappelijke codes zijn niet klaar om deze technologie te exploiteren."

Parallel computing vereist het opsplitsen van grote rekentaken in veel kleinere taken die onafhankelijk worden verwerkt voordat ze worden gecombineerd tot een complete oplossing. Het populaire programmeermodel - het synchroniseren van meerdere kernen om hele taken uit te voeren - kan de prestaties belemmeren omdat niet alle kernen tegelijkertijd klaar zijn (afhankelijk van snelheid en werkverdeling) en snelle kernen moeten wachten tot langzamere kernen klaar zijn.

"Ontwikkelaars moeten software opnieuw ontwerpen om synchronisatie binnen meerdere taken te verminderen en de verplaatsing van gegevens binnen de geheugenhiërarchie te beperken, zodat er minder tijdrovende geheugentoegangen zijn, ", zegt Ltaief. "Dit is wat we hebben bereikt met onze nieuwe software, GIRIH, en het kan mogelijk worden gebruikt voor meerdere modelleringstoepassingen."

De GIRIH-software bouwt voort op het werk van een voormalig KAUST-doctoraatsstudent, Tareq Malas, die nu bij Intel in de VS werkt. De software is ontworpen om partiële differentiaalvergelijkingen op te lossen door middel van veelgebruikte stencilberekeningen. Stencilkaders verdelen een driedimensionale ruimte in een raster. De waarde van elke cel in het raster verandert volgens de waarden van de omringende cellen:de stencilcode geeft aan welke cellen moeten worden gebruikt om de waarde van een bepaalde cel te berekenen.

In het geval van seismische beeldvorming, golfvergelijkingen, die eigenschappen hebben die in tijd en ruimte variëren, worden opgelost met behulp van het stencilraamwerk. GIRIH splitst het raster op in tegels die elk een bepaald aantal cellen over een bepaalde tijdsperiode vertegenwoordigen (zie bovenste afbeelding). GIRIH behandelt de tegels vervolgens als onafhankelijke rekentaken, die parallel op de onderliggende hardware worden uitgevoerd. Op deze manier, synchronisatie wordt vervangen door taken die simpelweg wachten op aangrenzende tegels waarvan ze afhankelijk zijn.

"Deze tegelstrategie in ruimte en tijd slaat in wezen twee vliegen in één klap. Het vermindert de synchronisatie en verkort de tijd voor het ophalen van gegevens door hergebruik van reeds in de cache opgeslagen gegevens die zich op het hoge niveau van de geheugenhiërarchie bevinden, " zegt Ltaief. "Shaheen-2, de 200, 000-core supercomputer hier bij KAUST, zal instrumenteel zijn tijdens het ExaWave-project omdat het de prestaties van GIRIH op een ongekende schaal kan demonstreren."

De hoogwaardige afbeeldingen die door GIRIH worden gegenereerd, moeten helpen bij het boren van oliebronnen, misschien zelfs in realtime, door fijnmazige details van het directe ondergrondse gebied te verstrekken. Op deze manier, GIRIH zou de milieu-impact van olie- en gaswinning kunnen helpen verminderen door het boorproces nauwkeuriger te maken.

"De beroemde hockeyspeler, Wayne Gretzky, zei ooit 'een goede speler speelt waar de puck is, terwijl een geweldige speler schaatst naar waar de puck zal zijn!', " zegt Keyes. "Dit is ons doel hier bij het ECRC:anticiperen op de toekomstige hardwarerevolutie door hoogwaardige wetenschappelijke software te creëren die de veerkracht en robuustheid van het hele systeem garandeert."