Il software potrebbe trasformare l'immagine sotterranea delle riserve di combustibili fossili fornendo dettagli senza precedenti in tempi record.

Per un paese ricco di petrolio come il Regno dell'Arabia Saudita, l'imaging sismico è vitale per l'estrazione efficiente dei combustibili fossili. Nuovo software, noto come GIRIH, potrebbe migliorare il sistema di imaging sotterraneo per una perforazione più precisa dei pozzi petroliferi.

Le immagini sismiche vengono create facendo rimbalzare le onde sonore sulle strutture geologiche sotterranee per aiutare a identificare potenziali aree di petrolio e gas. L'analisi di questi dati per generare immagini accurate richiede tempo e potenza di calcolo significativi. Più complesso è il sottosuolo, quanto più fine e dettagliata deve essere l'analisi; e i parametri più fisici inclusi (relativi alle diverse proprietà di propagazione delle onde attraverso i vari tipi di roccia), maggiore è la richiesta di requisiti computazionali (memoria e tempo di elaborazione).

I ricercatori dell'Extreme Computing Research Center (ECRC) di KAUST stanno lavorando a stretto contatto con la compagnia petrolifera Saudi Aramco in un progetto ambizioso, ExaWave, progettare e integrare nuovi software nelle piattaforme di analisi delle immagini. "Exa" si riferisce alla preparazione di Aramco per migrare il proprio carico di lavoro su architetture exascale emergenti, in grado di eseguire un miliardo di miliardi di operazioni al secondo. Il lavoro di questa partnership faciliterà un rapido, estrazione di combustibili fossili accurata e sostenibile.

Affinché la futura modellazione computerizzata ad alte prestazioni funzioni in modo efficiente, le interazioni tra architetture software e hardware devono essere affinate. Hatem Ltaief, David Keyes e il loro team all'ECRC stanno ridisegnando algoritmi numerici per adattare i modelli matematici all'hardware emergente.

"C'è una discrepanza tra la direzione in cui si dirigerà la progettazione dell'hardware informatico nel prossimo futuro e il modo in cui viene progettato il software tradizionale, " dice Ltaief. "I futuri sistemi hardware saranno costituiti da migliaia di unità di elaborazione (o core) su ogni nodo con una gerarchia di memoria profonda. Però, la maggior parte dei codici scientifici attuali non è pronta per sfruttare questa tecnologia".

Il calcolo parallelo richiede la suddivisione di grandi attività computazionali in molte attività più piccole che vengono elaborate indipendentemente prima di essere combinate in una soluzione completa. Il popolare modello di programmazione, la sincronizzazione di più core per completare intere attività, può ostacolare le prestazioni perché non tutti i core terminano contemporaneamente (a seconda della velocità e della distribuzione del lavoro) e i core veloci devono attendere il completamento dei core più lenti.

"Gli sviluppatori devono riprogettare il software per ridurre la sincronizzazione all'interno di più attività e limitare il movimento dei dati all'interno della gerarchia di memoria in modo che ci siano meno accessi alla memoria che richiedono tempo, " dice Ltaief. "Questo è ciò che abbiamo ottenuto con il nostro nuovo software, GIRIH, e potrebbe essere potenzialmente utilizzato per più applicazioni di modellazione."

Il software GIRIH si basa sul lavoro di un ex studente di dottorato KAUST, Tareq Malas, che ora lavora presso Intel negli Stati Uniti. Il software è progettato per risolvere equazioni differenziali alle derivate parziali attraverso il calcolo stencil ampiamente utilizzato. Strutture stencil dividono uno spazio tridimensionale in una griglia. Il valore di ogni cella nella griglia cambia in base ai valori delle celle circostanti:il codice dello stencil specifica quali celle utilizzare per calcolare il valore di una determinata cella.

Nel caso dell'imaging sismico, equazioni d'onda, che hanno proprietà che variano nel tempo e nello spazio, sono risolti utilizzando il framework stencil. GIRIH divide la griglia in tessere che rappresentano ciascuna un certo numero di celle in un determinato periodo di tempo (vedi immagine in alto). GIRIH tratta quindi le tessere come compiti computazionali indipendenti, che vengono eseguiti sull'hardware sottostante in modo parallelo. In questo modo, la sincronizzazione è sostituita da attività che aspettano semplicemente i riquadri vicini dai cui dati dipendono.

"Questa strategia di piastrellatura nello spazio e nel tempo essenzialmente uccide due piccioni con una fava. Riduce la sincronizzazione e riduce il tempo di recupero dei dati riutilizzando i dati già memorizzati nella cache situati nel livello più alto della gerarchia di memoria, " dice Ltaief. "Shaheen-2, il 200, Supercomputer da 000 core qui alla KAUST, sarà determinante durante il progetto ExaWave perché può dimostrare le prestazioni di GIRIH su una scala senza precedenti."

Le immagini di alta qualità generate dal GIRIH dovrebbero aiutare nella perforazione di pozzi petroliferi, magari anche in tempo reale, fornendo dettagli a grana fine dell'area sotterranea immediata. In questo modo, GIRIH potrebbe aiutare a ridurre l'impatto ambientale dell'estrazione di petrolio e gas rendendo il processo di perforazione più preciso.

"Il famoso giocatore di hockey, Wayne Gretzky, una volta ha detto 'un buon giocatore gioca dove c'è il disco, mentre un grande giocatore pattina dove sarà il disco!', " afferma Keyes. "Questo è il nostro obiettivo qui all'ECRC:anticipare la futura rivoluzione hardware creando un software scientifico ad alte prestazioni che garantisca la resilienza e la robustezza dell'intero sistema".