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La compression des données sismiques
En WPC

Un projet présenté par Long Qu, Raphaël Lencrerot, Marianne Cuif-Sjöstrand et Bruno Conche

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Long Qu

Best Innovators

Avec notre supercalculateur Pangea, nous disposons d’importantes ressources en termes de calcul haute performance (HPC), essentielles aux études Géosciences. Pour autant, les performances de traitement de données sismiques ne reposent pas sur la seule puissance de calcul. La vitesse de lecture des données d’entrée et la vitesse d’écriture des données de sortie entre les processeurs et les systèmes de fichiers jouent aussi un rôle important. La compression des données est donc critique pour améliorer la performance de Pangea. D’où notre innovation brevetée : un WPC (Wavelet Packet Compression) adapté aux données sismiques, qui permet ainsi d’optimiser leur vitesse de traitement.

Le WPC, une méthode de compression peu coûteuse

La technique de transformation la mieux adaptée aux données oscillantes 2D et 3D comme les données sismiques consiste à appliquer une transformée en ondelettes 2D. Nous avons donc conçu et déployé une méthode basée sur un package de compression de paquets d'ondelettes sans pertes, le WPC. Le paramétrage facultatif de la quantification appliquée aux coefficients d’ondelettes introduit ensuite une erreur relative et une perte d’information limitées. Ce format permet d’économiser dix fois plus d’espace de stockage.

Largement utilisable pour améliorer la rapidité de compression, même avec d’importants volumes de données, cette méthode est similaire à celles utilisées en multimédia, comme le MP3 en musique ou le JPEG pour l'image. Ces formats sans pertes significatives d’informations reposent sur un flux en trois étapes : la transformation, la quantification et l’encodage. La décompression des données s'effectue en sens inverse.

Une compression WPC optimisée par blocs pour améliorer les performances

Bien qu’adaptée à notre utilisation, le WPC classique n’offrait toujours pas une vitesse de compression suffisamment rapide pour accélérer les flux de données Entrée / Sortie. D’où notre innovation, qui permet d’adapter la transformation en ondelettes à l'architecture des processeurs modernes. En WPC, ce calcul accapare 80 % du temps de compression. Les processeurs multi-cœurs ont plusieurs niveaux de mémoire cache, avec un temps d'accès extrêmement rapide, mais avec une capacité de stockage limitée à quelques mégaoctets. Les données requises pour les opérations de transformation dépassent la taille du cache, nécessitant leur rechargement donc plusieurs allers-retours entre le processeur et la mémoire centrale. Au lieu d'effectuer une transformation en ondelettes sur l'ensemble des données, l’innovation consiste à diviser les données en petits blocs d'éléments, pour que les données de chaque bloc puissent tenir dans le cache du processeur.

Ce design breveté évite le rechargement de données via la mémoire principale, optimise la réutilisation des données du cache et réduit considérablement le temps de calcul, sans affecter le taux de compression. Associé à d'autres améliorations, il permet d'atteindre des vitesses de compression d’environs 300 Mo/sec et de décompression de 400 Mo/sec pour une transformation en ondelettes à trois niveaux de cache sur un seul cœur de processor de Pangea, près de 25 fois plus élevées que pour le format WPC classique.

De nombreux atouts

Rupture technologique, le WPC optimisé limite considérablement l'utilisation des systèmes de fichier, accélère la vitesse de traitement, optimise les infrastructures de calcul HPC et réduit le coût des études sismiques. Un bénéfice significatif pour nos nombreux projets d’études sismiques.

  • Le WPC permet de recourir à la technique de migration Beam sans aucune différence de qualité. Comme pour construire par exemple les modèles géosciences et l'interprétation structurelle du champ en offshore profond de Louro, sur le bloc 32 en Angola : réduction par dix du volume des données d’entrée grâce à WPC. Le code de migration BEAM peut donc profiter du WPC et être implémenté pour réduire la volume des données d’entrée totale d’une taille de 25 TB au lieu de 960 TB, au moins trois fois plus rapide que le code standard.
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  • Le WPC accélère les outils d’inversion des formes d’ondes (FWI) et de Reverse Time Migration (RTM) en 3D. Aujourd’hui, 90 % de l’activité de supercalculateur Pangea est consacrée à l’imagerie sismique. 60 % de cette imagerie est dédié aux RTM et FWI. L’utilisation de la compression WPC pour ces deux technologies de pointe peut ainsi permettre de réduire le temps de calcul et la durée de traitement sismique. Un gain peut aller jusqu’à 35% sur le supercalculateur Pangea III basé sur la technologie GPU.
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