تسریع محاسبات شبیه سازی مخازن با استفاده از پردازنده های گرافیکی

محققین مرکز تحقیقات نفت تهران به عنوان یکی از اولین مراکز پژوهشی نفتی دنیا موفق به موازی سازی شبیه سازی مخازن نفتی با استفاده از پردازنده های گرافیکی شدند.

به گزارش نفت نیوز، مرکز تحقیقات نفت تهران به عنوان اولین و تنها مرکز تحقیقاتی فعال در زمینه محاسبات سریع (HPC) در صنعت نفت ایران می باشد که اقدام به راه اندازی و استفاده از قدرت محاسباتی پردازنده های گرافیکی نموده است.
این مرکز طی پژوهش انجام شده قدرت محاسبات پردازنده های گرافیکی را در شبیه سازی مخازن نفت و گاز کاربردی نموده است. در این پژوهش با تغییر و اجرای تنها 2 درصد از کل نرم افزار شبیه ساز بر پایه پردازنده های کارت گرافیک، افزایش سرعت تا 30 برابر در قسمت حل دستگاه معادلات و 3 برابر در کل برنامه و با دقت محاسبات Double Precision بدست آمده است. همچنین در صورت استفاده از دقت محاسباتی کمتر یعنی Single Precision افزایش سرعت تا 250 برابر میسر می گردد. 

بر پایه این گزارش، صنایع نفت و گاز به علت نیاز به محاسبات سنگین و پردازش همزمان حجم زیادی از داده ها، همواره به عنوان یکی از استفاده کنندگان اصلی فناوریهای محاسبات سریع مطرح بوده است. تولید صیانتی و بهینه از منابع نفتی یکی از دغدغه های اصلی این صنعت است که نیازمند بررسی سناریو ها و برنامه های مختلف تولید با درنظر گرفتن شرایط و محدودیتهای خاص هر میدان می باشد. با افزایش قابلیت محاسباتی و گسترش دامنه بررسی ها، جواب های دقیق تر و مورد اعتمادتری بدست خواهد آمد. زمان طولانی محاسبات به عنوان یکی از عوامل بازدارنده، انجام این بررسی ها را محدود و عدم اطمینان را افزایش می دهد. از اینرو پژوهشگران صنعت نفت همواره در صدد کاربردی کردن یافته های جدید علوم محاسبات سریع جهت یافتن راه حل هایی با اطمینان بیشتر می باشند.

یکی از فناوریهای های جدید در محاسبات سریع استفاده از قدرت پردازنده های گرافیکی (GPU) درمحاسبات است. مزایای استفاده ار فناوری GPU عبارتند از: افزایش سرعت و پهنای باند، کاهش قیمت سخت افزاری و کاهش مصرف انرژی. در حال حاضر سیستمهای تجاری بر پایه GPU  به سرعت در حال فراگیر شدن می باشند. در صنعت نفت نیز هم اکنون شرکت های بزرگ نفتی دنیا مانند شلمبرجر، توتال و پتروبراس درحال تحقیق و سرمایه گذاری بر روی این تکنولوژی نوین می باشند اما تاکنون نتایج علمی اندکی را منتشر نموده اند.

مرکز تحقیقات نفت تهران به عنوان اولین و تنها مرکز تحقیقاتی فعال در زمینه محاسبات سریع در صنعت نفت ایران می باشد که اقدام به راه اندازی و استفاده از قدرت محاسباتی پردازنده های گرافیکی نموده است. این مرکز طی پژوهش انجام شده قدرت محاسبات پردازنده های کارت گرافیکی را در شبیه سازی مخازن نفت و گاز استفاده و کاربردی نموده است. در این پژوهش از شبیه ساز مخزن دانشگاه تگزاس-آستین آمریکا، UTCHEM  ، استفاده شده است که شبیه ساز ترکیبی شیمیایی چندجزیی، چند فازی و سه بعدی می باشد.
پس از باز نویسی شبیه ساز UTCHEM بر پایه پردازنده گرافیکی، نتایج افزایش سرعت آن بر حسب گریدبندی های مختلف برای یک مدل ناهمگن پنج-نقطه ای در شکل زیر نشان داده شده است. قابل توجه است که با افزایش تعداد گریدهای مخزن سرعت محاسبات افزایش می یابد.

در این پژوهش با تغییر و اجرای تنها 2 درصد از کل نرم افزار شبیه ساز بر پایه پردازنده های کارت گرافیک، افزایش سرعت تا 30 برابر در قسمت حل دستگاه معادلات و 3 برابر در کل برنامه بدست آمده است. دقت محاسبات نشان داده شده در نمودار Double Precision است و با استفاده از دقت محاسباتی کمتر از آن یعنی دقت Single Precision، افزایش سرعت تا 250 برابر میسر گردید. 

مرکز تحقیقات نفت تهران با هدف بومی سازی تکنولوژی محاسبات سریع بر پایه پردازنده های گرافیکی (GPU Computing) در صنعت نفت کشور و با دارا بودن تجهیزات سخت افزاری مناسب و به روز و همچنین محققین خبره در استفاده از این تکنولوژی، پژوهش های گسترده ای را در زمینه های شبیه سازی جریان سیال در محیط متخلخل، شبیه سازی انتقال کنده ها (Cutting Transport)، آنالیز و پردازش داده های لرزه نگاری (Seismic) را در حال بررسی و انجام دارد.