Description:

"Теория вычислительных систем для геофизиков. Часть I: элементы системы обработки сейсмических данных Computer science for geophysicists. Part I: elements of a seismic data processing system", Les Hatton* Одним из многих интересующих практикующего геофизика предметов является теория вычислительных систем, в то же время один из самых важных и наименее хорошо изученных. Эта статья является первой в будущей серии статей, посвященной теории вычислительных систем и ее значению для разведочной геофизики. Материал данной статьи извлечен из серии лекций по теории вычислительных систем, которые являются малой частью курса, который читается для магистров нефтяной сейсморазведки в Оксфордском университете. Можно легко столкнуться с мнением о том, что геофизическое программирование является "черной магией", как среди геофизических программистов и пользователей их программных продуктов. Одной из главных причин этого является то, что требования обработки сейсмических данных обычно задвигали вычислительную технику к ее предельным возможностям. На любой стадии обработки в течение последних двадцати лет всегда было множество процессов, которые мы могли бы применить к данным, но никогда не могли позволить себе. Ничто не изменилось. Алгоритически, мы знаем, как провести трехмерную глубинную миграцию до суммирования, но для ее реализации потребуется использовать самые мощные компьютеры в мире в течение многих лет. Даже чтолибо настолько земное, как например демультиплексирование, может вызвать досрочный уход на пенсию менеджера компьютерного центра, если используемые ленты, случается, бывают некоррелированы. Свип-сигнал длительностью в тридцать с лишним секунд, вибросейс на 2 мс в 6250 fpi (больше на этих тайных предметах позже). Эти трудности применения геофизических методов, к сожалению, имели тенденцию порождать компьютерного "гуру", который посредством эрудита и неясных программ умеет заставлять их работать. Такие программы имеют тенденцию быть чрезвычайно трудными как для отладки (исправление ошибок), так и улучшения (добавление новых функциональных возможностей). Поэтому, каждый раз, когда компьютерная техника старательно (и временно) догоняла, часто все надо было переписывать. Другой очень важной причиной, существование которой я должен бессовестно признать (как полноправный член поколения), это обеспеченность работой! Средняя часть компьютерной документации настолько ужасна не потому что она описывает непостижимые загадки, а потому что она ужасно написана. Определенно есть известные исключения, однако их немного. Пословица о среднем составеле компьютерной документации звучит так: "не объяснять ничего пользователю или он сможет понять насколько все это легко". Число восьмилетних детей создающих в большом количестве программы на ассемблере (ужасно скучный машинный язык, требующий сильной концентрации) на своих микрокомпьютерах BBC с безупречной документацией молча доказывает этот факт. Я буду возвращаться к предмету микрокомпьютеров снова и снова, поскольку их использование и взрывное развитие перестраивают компьютерную отрасль и поэтому будут менять нас самих. Пять лет назад или около того, компьютеры подразделялись по размеру на три группы: обычно известные как микрокомпьютеры (наименее мощные), мини-ЭВМ и универсальные ЭВМ (самое мощное). Более точное описание можно было бы дать в терминах сведений о периферийных устройствах, подходящих к каждой категории: диски, ленты, принтеры и т.д., так как микрокомпьютерное периферийное оборудование было наименее интеллектуальное (сложное), а универсальное периферийное оборудование самое интеллектуальное. При современной скорости прогресса, в не совсем далеком будущем единственное отличие будет в цене. Пока я писал эту статью, было протестировано несколько микрокомпьютеров, эффективность которых превысила по мощности VAX, известную и по достоинству уважаемую мини-ЭВМ значительной мощности. Если прибавить к этому тот факт, что половина Западного мира (и большая часть Восточного мира), кажется, пишет программы для микрокомпьютеров, то революция действительно кажется подходящим словом. В этой статье я хотел бы обсудить элементы типичной сейсмической вычислительной системы, как оцениваются их рабочие характеристики и очень кратко, как они работают. В последующих статьях я буду обсуждать их в большей детальности, наряду с такими вещами как пропускная способность средств ввода-вывода, арифметические устройства с плавающей запятой, программное обеспечение систем и приложений (включая геофизические базы данных и пользовательский интерфейс), графику, связь и будущие потребности для обработки сейсмических данных. Элементы типичной системы обработки сейсмических данных Основные элементы типичной среды мощной вычислительной системы для сейсмических задач или общей научной работы представлены на рис. 1. Отдельные компоненты ниже описаны более подробно. ЦП - центральный процессор, который управляет всей вычислительной системой. Программы постепенно загружаются из памяти и обсчитываются в ЦП, заставляя различные периферийные устройства работать в порядке очереди, в которой они появляются на ленте. Следовательно, фактическое время, потраченное для доступа (время доступа) к определенной записи может быть длительным. С другой стороны, на ленте может быть записано намного больше данных, чем на любом другом носителе. Это поясняет основной компромисс для всех вычислительных систем между скоростью доступа и объемом данных, к которым необходим доступ. Диски - магнитный диск намного более быстрый носитель данных, чем магнитная лента, но может хранить намного меньше информации. Даже в этом случае это может быть довольно большим объемом. В настоящее время доступны диски, которые могут хранить информацию объемом от 20 до 600 МБ. Самый большой может обеспечить хранение всей энциклопедии Brittanica и доступу к любому слову за время около 40 мс идеально для быстрого читателя. Рис. 4 и 5 отображают соответственно вид сбоку и в плане типичного диска с перемещаемыми головками. Дисковый агрегат вращается в диске с типичной скоростью 3600 оборотов в минуту. Сам дисковый агрегат состоит из множества магнитных дисков или тарелок дисков, все они размещены на одном шпинделе. По этим дискам маленькие магнитные записывающие головки движутся туда-сюда под управлением двигателей. Головки действительно очень близки к поверхности диска. Аналогией, которая обычно приводится, является полет реактивного самолета в нескольких дюймах от земли. В случаях, когда диски катастрофически выходят из строя, используется странное выражение авария головок. Это происходит, когда головки поражают вращающийся диск и буквально срываются со своих креплений, одновременно разрушая поверхность диска. Это может произойти при нарушении энергоснабжения или если тарелки диска слегка смещаются. Это эквивалентно прохождению поршня через край двигателя вашего автомобиля в терминах проектно-конструкторских работ, требуемых для его исправления. Если Вы когда-либо сможете возбудить эмоции среднего компьютерного программиста, попросите, чтобы он Вам описал аварию головок. Если он будет типичным представителем, то сразу начнет маршировать вперед-назад для создания громкого грохота и крутить своими руками. Самое смешное. Также с дисками могут произойти и другие ошибки, такие же, как с лентами. Например, общий тип ошибок дисков - неточное позиционирование головок по неправильной дорожке. На современных дисках это происходит нечасто, даже при том, что дорожки очень близки друг к другу, и обычно исправляется возвратом головки на некоторое исходное положение, где его положение может быть откалибровано перед повторным подводом головки к желаемой дорожке. Рис. 4. Боковой вид диска с подвижной головкой. Вся установка обычно вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту. Рис. 5. Вид диска с подвижной головкой в плане. Идентификаторы секторов обычно "мягкие" (как интервалы между записями на лентах) и записываются на диске, при инициализации диска (также известно как форматирование), до которой диск не может использоваться ни для каких целей. Это обычно делается только один раз. В порядке повышения сохранности, диск обычно разбивается набором фиксированных и переменных коэффициентов на: • Сектора из 20-500 слов. • Дорожки из 2000-5000 слов. • Цилиндры из 40000 слов и более. Заметьте, что дорожки содержат одинаковое количество слов независимо от их расстояния до шпинделя. Чтобы прочитать часть данных с диска, дисковые технические средства должны сделать следующее (единственная вещь, которую видит пользователь - накопленное время задержки). Время задержки. Так как диск вращается, записывающие магнитные головки должны ждать в среднем половину вращения пока начальная позиция данных, которые нужно считать, не окажется под головками. Для скорости 3600 оборотов в минуту это время составляет 8.33 мс. Подвод головок. Вообще, записывающие магнитные головки физически не будут над правильной дорожкой. Следовательно, в среднем они должны двигаться на полпути поперек диска прежде, чем будут правильно установлены. Для большинства дисков это занимает от 20 до 50 мс. Передача. После того как головки правильно помещены согласно времени задержки и дорожке, данные передаются со скоростью, пропорциональной скорости вращения диска и плотности записи на данной дорожке. Обычно это порядка 1-2 Мб в секунду. Полное время доступа - сумма этих трех событий." Ключевые слова: память, формула, такая плоттер, работа, оборот, единственный, порядок, статья архив, сейсмический вычислительный, вещь, разы, цена, мс, технология, оборудование, тип плоттер, формат, большинство, точка, дюйм, вектор, способ, запятая, скорость, плавающий запятая, сейсмический индустрия, лента, задержка, команда, мир, индустрия, линия, обработка сейсмический, год, матричный, символ, сейсмический, обеспечение, процессор, разрез, обычный, известный, производитель, цифровая плоттер, друг, напечатанный, геофизический, растровый, термин, выражение, значение, растровый плоттер, компьютер, набор, январь, скорость оборот, легкий, периферийный, часть, сейсмический вычислительный система, плотность, геофизик, печатать, перьевая графопостроитель, графопостроение, сожаление, магнитный, случай, тип, предмет, доступ, матричный процессор, плотность точка, изображение, сейсмический разрез, технический средство, весь вычислительный система, положение, факт, программный, целый число, информация, близкий, дискретный, слово, машина, вычислительный система, записывающий магнитный головка, элемент, непрерывный, плоттер, следующий, система, ужасный, режим, микрокомпьютер, пользователь, документация, хранение, должный, вращаться, правильный, преобразование, производитель компьютер, шпиндель, устройство, лёгкий, данный, обработка, графопостроитель, векторный, язык, архив, головка, теория вычислительный, мощный, количество, средство, сокращение, объем, ошибка, дисковый, растр, программирование, программа, диск, теория, ничто, пример, вычисление, интеллектуальный, запись, центральный процессор, секунда, плавающий точка, программный обеспечение, вычислительный, печать, типичный, цп, минута, ускоритель, дорожка, вид, статья, определённый, подвижной головка, аналоговый, компьютерный, использование, объём, арифметический