Programvara skulle kunna förändra underjordisk avbildning av fossila bränslereserver genom att tillhandahålla oöverträffade detaljer på rekordtid.

För ett oljerikt land som kungariket Saudiarabien, seismisk avbildning är avgörande för effektiv utvinning av fossila bränslen. Ny mjukvara, känd som GIRIH, skulle kunna förbättra det underjordiska avbildningssystemet för mer exakt borrning av oljekällor.

Seismiska bilder skapas genom att ljudvågor studsar från underjordiska geologiska strukturer för att hjälpa till att identifiera potentiella områden med olja och gas. Att analysera dessa data för att generera korrekta bilder tar avsevärd tid och datorkraft. Ju mer komplex underytan är, desto mer finkornig och detaljerad måste analysen vara; och de mer fysiska parametrarna som ingår (relaterade till olika vågutbredningsegenskaper genom olika bergarter), desto större krav på beräkningskrav (minne och bearbetningstid).

Forskare vid KAUSTs Extreme Computing Research Center (ECRC) arbetar nära oljebolaget Saudi Aramco i ett ambitiöst projekt, ExaWave, att designa och integrera ny programvara i bildanalysplattformar. "Exa" hänvisar till Aramcos förberedelser för att migrera sin arbetsbelastning till nya exascale-arkitekturer, kan utföra en miljard-miljard operationer per sekund. Arbetet med detta partnerskap kommer att underlätta snabba, korrekt och hållbar utvinning av fossila bränslen.

För att framtida högpresterande datormodellering ska fungera effektivt, samspelet mellan mjukvaru- och hårdvaruarkitekturer måste förfinas. Hatem Ltaief, David Keyes och deras team på ECRC håller på att designa om numeriska algoritmer för att anpassa de matematiska modellerna till den nya hårdvaran.

"Det finns en bristande överensstämmelse mellan vart datorhårdvarudesign är på väg i en nära framtid och hur traditionell programvara är designad, " säger Ltaief. "Framtida hårdvarusystem kommer att bestå av tusentals bearbetningsenheter (eller kärnor) på varje nod med en djup minneshierarki. Dock, de flesta aktuella vetenskapliga koder är inte redo att utnyttja denna teknik."

Parallell beräkning kräver att stora beräkningsuppgifter bryts ner i många mindre uppgifter som bearbetas oberoende innan de kombineras till en komplett lösning. Den populära programmeringsmodellen – att synkronisera flera kärnor för att slutföra hela uppgifter – kan hindra prestanda eftersom inte alla kärnor avslutas samtidigt (beroende på hastighet och arbetsfördelning) och snabba kärnor måste vänta på att långsammare kärnor ska slutföras.

"Utvecklare måste designa om mjukvara för att minska synkronisering inom flera uppgifter och begränsa rörelsen av data inom minneshierarkin så att det blir färre tidskrävande minnesåtkomster, " säger Ltaief. "Detta är vad vi har uppnått med vår nya mjukvara, GIRIH, och det skulle potentiellt kunna användas för flera modelleringstillämpningar."

GIRIH-mjukvaran bygger på arbete av en före detta KAUST-doktorand, Tareq Malas, som nu jobbar på Intel i USA. Mjukvaran är designad för att lösa partiella differentialekvationer genom flitigt använda stencilberäkningar. Stencilramar delar upp ett tredimensionellt utrymme i ett rutnät. Värdet för varje cell i rutnätet ändras i enlighet med värdena för omgivande celler – stencilkoden anger vilka celler som ska användas för att beräkna värdet på en given cell.

När det gäller seismisk avbildning, vågekvationer, som har egenskaper som varierar över tid och rum, löses med hjälp av stencilramverket. GIRIH delar upp rutnätet i brickor som var och en representerar ett visst antal celler under en viss tidsperiod (se översta bilden). GIRIH behandlar sedan brickorna som oberoende beräkningsuppgifter, som exekveras på den underliggande hårdvaran på ett parallellt sätt. På det här sättet, synkronisering ersätts av uppgifter som helt enkelt väntar på närliggande brickor vars data de är beroende av.

"Denna plattsättningsstrategi i rum och tid slår i huvudsak två flugor i en smäll. Den minskar synkroniseringen och minskar tiden för datahämtning genom att återanvända redan cachad data som finns på den höga nivån i minneshierarkin, " säger Ltaief. "Shaheen-2, de 200, 000-kärnig superdator här på KAUST, kommer att vara avgörande under ExaWave-projektet eftersom det kan demonstrera GIRIHs prestanda i en aldrig tidigare skådad skala."

De högkvalitativa bilderna som genereras av GIRIH borde hjälpa till vid borrning av oljekällor, kanske till och med i realtid, genom att tillhandahålla finkorniga detaljer om det omedelbara underjordiska området. På det här sättet, GIRIH skulle kunna bidra till att minska miljöpåverkan från olje- och gasutvinning genom att göra borrningsprocessen mer exakt.

"Den berömda hockeyspelaren, Wayne Gretzky, sa en gång "en bra spelare spelar där pucken är, medan en fantastisk spelare åker till där pucken kommer att vara!', " säger Keyes. "Detta är vårt mål här på ECRC:att förutse den framtida hårdvarurevolutionen genom att skapa högpresterande vetenskaplig programvara som säkerställer motståndskraften och robustheten i hela systemet."