能源工业正在利用世界上最强大的超级计算机系统，深刻变革油气勘探与生产方式。随着经典计算机越来越受到挑战，能源工业开始探讨下一代量子超级计算机的应用。

据报道，目前能源工业最强大的超级计算机是意大利能源集团埃尼（ENI）的HPC5系统。而且，埃尼已着手筹划将下一代量子超级计算机用于能源行业。

超级计算：石油和天然气勘探的规则改变者

2022年11月14日，国际TOP500组织发布世界超级计算机500强排行榜，埃尼的HPC5系统位居第十三，是世界上工业领域最强大的超级计算机。

埃尼的HPC5系统是在2020年2月6日启用的，2020年6月首次进入国际超级计算机TOP500排名，成为世界第六、欧洲第一的超级计算机，并在全球所有工业计算系统中排名第一。同年6月，HPC5也进入了对计算系统能效进行排名的GREEN500特别榜单，并列世界第六大能效超级计算机，在欧洲排名第一，再次在全球所有工业计算系统中排名第一。一瓦特的电力使其每秒能够执行近200亿次操作。

HPC5（图1）是一组并行计算单元，它的峰值处理能力为51.7petaFlops，也就是说，大约52千万亿次/秒。加上原来的HPC4系统的18千万亿次/秒，埃尼的超级计算生态系统的峰值达到70千万亿次/秒。

图1 HPC5 -当前世界能源工业最快的计算机

HPC5系统配备1820台Dell EMC服务器，每台都配备四个NVIDIA V100 Tensor Core GPU，也就是说，总共由7,280个NVIDIA V100 GPU组成。系统通过Mellanox的InfiniBand互连，旨在实现最高效的服务器和数据存储连接。埃尼HPC5支持油田的勘探和监测，以及帮助加快清洁能源的研发。埃尼首席执行官克劳迪奥·德斯卡尔齐说：该系统“加速了我们的数字化转型。...这是能源转型道路上的重要时刻”。

世界上主要能源公司都与埃尼能源集团一样，将高性能超级计算机应用于油气勘探与生产，特别是地震勘探。几十年来，反射地震勘探一直是石油和天然气勘探的最重要技术。由人工震源发送的地震波在地下传播，在地质界面反射并传播回地表，成千上万的传感器记录了这些地震波。这个过程重复了数千次，获得的反射数据经过复杂的处理序列之后，我们可以对地下10公里或更深的地方进行成像。模拟地下波传播的复杂方程，被用于将记录的地震波重新归位到三维图像中的实际位置，这一过程被地球物理学家称为“偏移”。虽然从地震勘探的一开始就了解了偏移的原理，但精确的偏移算法在过去20年才被使用，因为它们对计算能力要求非常高。事实上，上世纪第一批偏移算法是基于简化的方程或假设，这是由于当时计算能力的限制，但这导致成像质量差，特别是在复杂区域。如今，高性能计算机使我们能够处理大量数据，能够使用越来越准确地模拟地震波传播物理的算法，生成更精确、更高分辨率的图像，从而减少了前景评估、油井定位或油藏监测的不确定性。

超级计算彻底改变地下油气藏探测方式。地震勘探超级计算的先驱可追溯到20世纪50年代MIT地球物理分析小组（GAG）利用旋风计算机地震处理数据，此后油气公司抓住了这个潜力。本节的标题“超级计算：石油和天然气勘探的规则改变者”是借用Oilprice网站的一篇网络文章的标题（参考资料[2]）。那篇文章谈到，“石油巨头在使用超级计算系统方面仅次于美国国防部”。过去几十年间发生变化之一的是“维度”：石油和天然气行业的早期地震勘探，由于技术限制，其能力仅限于二维成像。后来能够实现三维成像，提升了精度。现在能够4维成像，使石油和天然气公司不仅可以确定潜在区块的地质特征，还可以了解油藏如何实时变化。超级计算机的应用，提高了勘探作业的精确性，提高了油藏研究的精确性，减少了从识别油气藏到投产之间的时间，减少了能源和资源方面的浪费。

量子计算：石油勘探的下一件大事？

2022年11月17日，意大利能源公司埃尼和量子计算技术公司PASQAL宣布建立合作关系，通过量子计算为能源行业开发下一代HPC（高性能计算）解决方案。

自20世纪电脑出现以来，半导体产业经历了数次飞跃，计算机性能指数级增长，且更小、更强。图2为意大利能源集团埃尼近10年来新启用的几台高性能计算机峰值速度，可以看出2020年启用的HPC5比2013年的HPC1性能提高了一百倍。但时至今日，传统计算机已接近现代物理的极限——元器件接近原子尺寸。随着系统规模的增长，经典计算越来越受到挑战。

图2 埃尼能源集团高性能计算机性能

量子计算有望用于解决传统经典计算机难以解决的问题，有望解决能源领域的一些最大挑战，有望在许多方面改变能源行业。本节的标题“量子计算：石油勘探的下一件大事？”是借用PGS地球物理公司网站的文章（参考资料[3]）。那篇文章报导了该公司首席科学家兼技术评论员安德鲁·龙（Andrew Long）介绍量子计算的前景。量子计算机在原子尺度上使用“量子比特”作为量子计算的基本单元，从理论上讲，一台只有100个量子比特的量子计算机，将比地球上所有超级计算机的总和还要强大。量子计算机有潜力支持许多复杂物理系统的模拟和建模，其速度远远超过传统超级计算机。能源工业对计算资源的需求不断增加，曾经推动了经典超级计算机的发展，基于这一前景，将推动量子计算机的发展。在勘探地球物理学中，模拟至关重要，可望将量子计算用于地震波传播的数值模拟，用于地震建模和储层表征。当量子计算机上线时，地震勘探从业人员和研究人员有望获得新型强大的工具。计算机硬件和软件的技术进步将促进地震勘探的技术进步。在勘探地震学中使用量子计算的想法，非常令人兴奋的。目前，量子理论和地球物理学之间的相互作用仍有待探索。然而，量子计算在处理地球物理学家目前遇到的大规模建模和反演问题方面具有巨大的潜力。特别是，量子计算机可望被用于更有效地处理数据来增强人工智能和机器学习。而这正是石油工业的潜在应用。

埃尼能源集团与PASQAL已经开始合作开发下一代量子超级计算机，用于能源行业（参考资料[4]）。Pasqal是基于中性原子的量子技术的领先开发商。Pasqal的量子计算技术使用光学“镊子”控制中性原子（具有相同数量的电子和质子的原子），使用激光来设计具有高连接性和可扩展性的全栈处理器。其与软件无关的量子处理单元可以在室温下以较低的能量运行，使公司能够比传统计算机更有效地解决复杂问题。按照公布的最先进量子平台路线图，公司的目标是在 2023 年底之前向市场推出 1000 量子比特的量子处理器，为金融、能源和超级计算等多个垂直领域的客户创造价值。

埃尼的数字和高性能计算主管达里奥·帕加尼(Dario Pagani)表示：“数字和高性能计算是使我们更快、更高效、更负责任的驱动力。我们的HPC系统是探索未来能源的重要工具。”，“PASQAL的量子计算机将使我们能够在优化和机器学习等领域补充我们的传统HPC工作流程，并加快我们的研究，为能源行业最紧迫的问题创造新的解决方案”。埃尼与Pasqal的合作始于2022年11月，在此之前，埃尼的企业风险投资公司Eni Next于2021年对PASQAL进行了直接的“A轮”投资。由于这笔资金，PASQAL正在构建其当前的商用量子计算机，100个量子比特，并开发下一代计算系统。利用PASQAL的专有算法，埃尼集团将加快油气勘探和生产领域的研究，并释放新的能力。

虽然并非所有地球物理公司和能源公司都如同PGS公司和埃尼公司一样已经开始考虑量子计算机的应用，但是许多人认为能源工业量子计算应用前景值得关注。

参考资料：

[1] HPC5: the supercomputer working for energy. https://www.eni.com/en-IT/operations/green-data-center-hpc5.html

[2] Supercomputing: Game-Changer for Oil & Gas Exploration

https://oilprice.com/Energy/Energy-General/Supercomputing-Game-Changer-for-Oil-Gas-Exploration.html

[3] Quantum Computing: The Next Big Thing for Oil Exploration?. https://www.pgs.com/company/newsroom/news/quantum-computing-the-next-big-thing-for-oil-exploration/

[4]  Eni and PASQAL together to develop Quantum Solutions for the Energy Sector. November 17, 2022 in Latest News

https://pasqal.io/2022/11/17/eni-and-pasqal-together-to-develop-quantum-solutions-for-the-energy-sector/