基于CUDA的高阶旋转交错网格有限差分法的弹性波正演模拟

应用高阶旋转交错网格的有限差分法,求解了基于一阶的速度-应力弹性波方程,推导了时间二阶精度空间2M阶精度的高阶有限差分离散格式.为了提高弹性波正演模拟效率,论文探讨了常规的CPU串行计算、基于GPU平台的节点并行计算、基于GPU平台的分量、节点同时并行的3种正演模拟计算模式,给出了不同算法的流程示意图.通过对比3种算法的耗时及后两种算法的加速比,可清晰判定,基于GPU平台的节点并行算法较CPU平台的串行算法有明显加速,最大加速比可达到60倍,而基于分量、节点同时并行算法的最大加速比最大可到180左右,加速效果更为明显.最后应用Marmousi模型的15000次时间步迭代的正演计算,基于分量、节点GPU并行算法大约是节点并行计算耗时的1/3,说明了该并行设计能有效提高弹性波正演模拟的效率,节约计算耗时.     

FPGA与GPU并行计算分析——以Kirchhoff叠前时间偏移为例

高性能计算(high performance computing)是地震数据处理领域一个重要研究课题.目前的高性能计算大多是利用图形处理器(GPU)强大并行处理能力,以GPU/CPU协同并行计算构架为基础实现有关算法.本文讨论了利用CUDA和Impulse C-to-FPGA工具分别在GPU(图形处理器)和FPGA(可编程逻辑门阵列)平台上并行实现Kirchhoff叠前时间偏移算法.处理结果表明,利用GPU加速Kirehhoff叠前时间偏移处理得到了14倍的单核加速比,利用FPGA加速Kirchhoff叠前时间偏移处理得到了9.5倍的单核加速比.     

基于GPU并行的重力、重力梯度三维正演快速计算及反演策略

利用NVIDIA CUDA编程平台,实现了基于GPU并行的重力、重力梯度三维快速正演计算方法.采用当前在重力数据约束反演或联合反演中流行的物性模型(密度大小不同、规则排列的长方体单元)作为地下剖分单元,对任意三维复杂模型体均可用很多物性模型进行组合近似,利用解析方法计算出所有物性模型在计算点的异常值并累加求和,得到整个模型体在某一计算点引起的重力(或重力梯度)值.针对精细的复杂模型体产生的问题,采用GPU并行计算技术,主要包括线程有效索引与优化的并行归约技术进行高效计算.在显卡型号为NVIDIA Quadro 2000相对于单线程CPU程序,重力和重力梯度U_xx、U_xy正演计算可以分别达到60与50倍的加速.本文还讨论了GPU并行计算在两种反演方法中的策略,为快速三维反演技术提供了借鉴.     

一个基于多GPU的TTI介质逆时偏移方法（英文）

地震数据TTI介质逆时偏移计算量巨大,阻碍了其深度应用。NVIDIA? GPU以及其通用计算具有高度并行特性,为加速该类高密度计算提速提供了可能,可解决由于地震处理成像空间增加所带来的计算量大难题。本文提出了一种高效率的多GPU并行计算策略,以解决TTI介质逆时偏移庞大的数据处理问题。该策略流程,以GPU及其统一设备架构CUDA为前提,拥有多核心同时计算、作业流、点对点GPU直接传输等一些列运算特点。其核心是将GPU间边界数据的数据传输时间和不同区域的差分计算时间重叠。由于逆时偏移计算强度主要与差分计算空间相关。重叠计算后,数据传输时间可以忽略,因而计算效率随GPU数量的增加呈线性提高。并用于TTI逆时偏移成像的处理,以验证本文提出的高计算效率的多GPU并行计算策略的正确性。对比试验表明,利用本文提出的多GPU策略可大大提供高密度数据成像计算的效率及实现多GPU计算时效率呈线性增加,提升了该计算的延展特性。     

基于MPI的一维大地电磁并行计算研究

在大地电磁中运用并行处理技术来减少计算时间,提高运算效率.结合一维广义逆矩阵法反演的计算特点,详细分析了串行程序并行化方法,主要采用主从并行模式、分频并行计算的并行方案.在Linux系统上使用Fortran和MPICH2相结合的开发工具编写了并行程序,通过理论模型和实测数据对实现的并行程序进行试算,并与串行程序对比验证了该算法的可行性、正确性,为二维、三维的正反演并行计算提供了研究基础.     

气候模式模拟中海量数据的并行抽取与可视化分析诊断

在地球动力学和气候模拟等领域, 数值模拟产生的数据规模达到Tb至Pb量级。 实现这些海量数据的实时可视化和实时诊断分析面临很大的困难, 时空多尺度数据抽取可以解决这一瓶颈。 高精度数据的可视化结果展示需要高分辨率的显示设备, 并行的大屏幕显示技术是解决这一问题的有效手段。 地球科学数值模拟、 并行数据抽取和高分辨率显示都需要搭建高性能计算机集群。 本文在基于Lagrange插值的多维度、 多尺度、 多分辨率并行数据抽取算法的同时, 利用并行计算节点及LCD显示器, 基于Rocks cluster系统搭建起一个176核, 4×10×1024×1280分辨率的高性能计算模拟、 数据抽取和并行显示输出的集成平台, 并将该平台成功应用到气候模式模拟产生的海量数据的并行抽取和并行显示。     

大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟的并行计算研究

为了更有效的提高大地电磁三维正演的计算速度,引入了并行处理技术.大地电磁三维交错网格有限差分数值模拟是按照不同频率来计算的,各频率之间求取电磁场值的过程是相互独立的.根据这一特点,可以将多个频率的计算任务平均划分为一个或者几个频率的计算子任务,分配到各个计算节点去并行执行,计算完成后将结果汇总.本文通过采用主从并行模式、分频并行计算的方案,在曙光TC5000A高性能并行平台上实现了基于MPI的大地电磁三维正演的并行计算.通过两个理论模型对实现的大地电磁三维正演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维正演并行算法是正确的、高效的,为进一步的大地电磁三维反演并行算法研究奠定了重要基础.     

三维地震动场数值模拟并行计算系统

并行计算系统是进行三维复杂场地地震动场数值模拟的基础。本文作者利用10台微机构建了一套并行计算集群(常称为Beowulf系统),节点微机上运行Windows2000操作系统,采用MPI标准的MPICH1．2．4版本作为并行计算的支撑环境,并以100M bps高速交换式以太网作为互连网络。利用编制的并行计算程序对该并行计算系统性能进行了测试。结果表明：该系统能够达到非常高的并行加速比和并行效率。该系统将用于三维地震动场数值模拟研究。     

Kirchhoff积分时间偏移的两种走时计算及并行算法

走时计算的可行性在很大程度上决定了Kirchhoff积分法偏移的效果,而基于PC-Cluster的并行计算是实施叠前偏移数据计算量大的基本工具,本文针对这两个问题的研究,阐明两种旨在提高复杂情况叠前时间偏移聚焦能力的弯曲射线对称走时及非对称走时的计算方法,以及旨在提高叠前偏移计算效率的"数据并行"和"成像点并行"策略,并分别对其结果进行了对比分析.     

基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演

各向异性介质对大地电磁观测数据的影响往往不可忽略,因此需要提高大地电磁各向异性三维反演的可靠性和有效性.为了满足大地电磁各向异性三维反演的需求,本文研究了一种基于交叉梯度结构约束的大地电磁主轴各向异性并行三维反演算法.根据大地电磁平面波理论假设,正演方程采用背景场与二次场分离的计算方式,二次场利用交错网格有限差分法求解.由于各向异性反演的多解性,本文将各向异性介质简化为主轴各向异性,并在此基础上进一步采用有限内存拟牛顿LBFGS法实现三维各向异性反演.为了提高各向异性反演的分辨率,反演目标函数中引入交叉梯度项,利用先验的结构信息,对三个方向的电阻率参数进行结构约束,最终的反演进一步利用MPI(Message Passing Interface,消息传递接口)技术实现分频并行计算,测试结果显示并行接近线性加速比.     

重叠区域伪谱法计算非均匀地球介质地震波传播

伪谱法是一种高效、高精度计算非均匀介质地震波传播的数值算法,由于它的微分算子的全局性,一般认为该方法不适于并行计算. 本文介绍了并行计算非均匀介质中地震波传播的重叠区域分解算法,给出了一种基于傅里叶伪谱法的并行算法. 文中给出的算法将介质划分为相互重叠的若干区域,在各个子域上单独求解,利用重叠部分的解的传递,将各个子域连接起来,实现了伪谱法在分布式并行处理机上的计算. 文中给出了一个将二维区域分解的算例,比较了并行算法和整体算法的结果,分析了并行算法的计算精度. 结果表明,并行算法会有效降低计算时间,并且保证计算精度. 该方法在大规模三维非均匀介质的地震波场模拟方面有应用价值.      

用MATLAB实现波动方程多核并行计算

波动方程数值模拟在油气勘探中发挥着重要作用,如何提高它的计算效率一直是人们研究的课题.目前多核计算机已非常普及,而现有程序基本都是采用MPI实现并行计算的.这种进程级粒度的并行计算方式在PC-Cluster之类的分布式计算机上效果很好,可是在单个节点上却受内存限制,往往只能使用少数几个甚至单个计算核心,多核处理器的效能难以得到有效发挥.本文基于MATLAB科学计算平台构建波动方程数值模拟算法,将占主要计算量的波场外推式计算分解为矩阵-向量乘法、向量对应元素相乘或相减运算,通过MEX文件机制,在MATLAB中引入了OpenMP多线程并行计算,解决了MPI进程级并行在内存使用受限的情况下,多核利用效率低的问题.在四核计算机上测试表明,右端项计算平均加速3.37倍,解对角线方程平均加速1.66倍,波场外推式的计算平均加速3.11倍,使正演计算的总体计算速度提高了近3倍,有效提高了计算效率.     

并行计算及其性能分析在重力全张量梯度数据反演中的应用（英文）

本文在实现重力全张量梯度数据重加权聚焦反演的基础上,利用MPI与CUDA实现了算法的并行运算,以及二者联合的混编并行程序,引入并行计算中的程序性能指标,对算法性能进行分析和综合对比,总结出一套评价规则用于并行算法程序的性能分析。此规则给出算法各自的性能评估方法,有助于客观全面地评价程序的性能,从程序开发和算法实现的角度帮助评估和提高算法的并行效率。同时我们将该套程序和评价规则用于理论模型和Vinton盐丘的实测梯度数据中,不仅反演出良好的密度结果,还获得了较高的运算效率,验证了所使用并行算法在重力全张量梯度数据反演中的可行性,根据评价规则认为程序均具有良好的运行效率。     

油气勘探地震资料处理GPU/CPU协同并行计算

随着图形处理器（Graphic Processing Unit: GPU）在通用计算领域的日趋成熟,使GPU/CPU协同并行计算应用到油气勘探地震资料处理中,对诸多大规模计算的关键性环节有重大提升.本文阐明协同并行计算机的思路、架构及编程环境, 着重分析其计算效率得以大幅度提升的关键所在.文中以地震资料处理中的叠前时间偏移和Gazdag深度偏移为切入点,展示样机测试结果的图像显示.显而易见,生产实践中,时常面临对诸多算法进行算法精度和计算速度之间的折中选择.本文阐明GPU/CPU样机协同计算具有高并行度,进而可在算法精度与计算速度的优化配置协调上获得广阔空间.笔者认为,本文的台式协同并行机研制思路及架构,或可作为地球物理配置高性能计算机全新选择的一项依据.     

面向地震勘探算法的模块集成技术研究

针对地震勘探算法的特点和制约技术推广的问题,在地震数据处理流程、输入与输出数据格式、图形显示和插件模式集成技术等方面进行了深入研究,研发了插件模式模块集成技术.将不同编程语言实现的地震勘探算法,通过插件模式进行算法模块集成,设计形成有效的功能技术模块,并保证软件模块的可重用性和稳定性,有效解决了地震勘探算法的成果转化和产业化问题.以地震数据采集工程软件平台提供的插件服务为基础,形成了面向地震勘探算法的插件集成思路和模块集成技术,并以可控震源正演模拟与谐波压制技术为例,验证了算法集成的正确性和有效性,最终实现了不同编程语言地震勘探算法的模块集成和应用,有效保障了可控震源高效采集的顺利实施.     

深部探测数据共享平台的设计与研究

深部探测是地球科学研究的重要手段,2008年我国启动了深部探测技术与实验研究(SinoProbe)专项,标着着我国深部探测计划的开始.在专项实施过程中,我们获得了中国大部分地区的深部地球物理探测、地球化学、地质等多种不同精度和方法的数据资料,由于探测方法不同导致了数据的异构性,数据获取始终是困扰研究人员的重要问题.在开展"Sinoprobe"研究专项的过程中,必须要解决数据的共享和交互问题.本课题通过对国内外著名的探测项目和地球科学数据平台的研究,探索数据共享和交互的解决方案,提出了基于SOA的深部探测数据共享框架,该框架的解决方案包括三部分:一是建立基于OGC标准统一的数据模型,将各类异构数据转换在一个地球框架中,实现互操作;二是利用Web Service技术构建分布式服务平台,实现从简单的客户端/服务器模型到复杂系统的扩展;三是利用Eclipse RCP的插件式开发技术,建立综合插件应用平台.最终解决了深部探测数据共享过程中存在的数据异构、系统异构及应用异构的问题.     

CPU-GPU异构并行计算在数字岩心线弹性静力学有限元模拟中的应用

线弹性静力学有限元模拟是计算数字岩心弹性模量的有效方法之一,已被用于研究数字岩心的弹性模量与其微观结构、物质组成之间的关系.若要形成解决实际问题的能力必须计算足够多的数字岩心样本,而有限元模拟的计算量较大,因此并行计算对于该方法的成功应用非常重要.本文将数字岩心线弹性静力学有限元模拟算法分解为在CPU和GPU上执行的两个部分,由CPU负责协调控制,GPU负责大规模数值计算,实现CPU-GPU异构并行计算,获得计算效率提升.采用该并行算法计算孔隙数字岩心、裂缝数字岩心和裂缝—孔隙数字岩心的弹性模量,得到的弹性模量—孔隙度关系符合一般的岩石物理规律.CPU-GPU异构并行的线弹性静力学有限元模拟能够迅速计算大量数字岩心的弹性模量,提供相当于物理实验的"观测数据",对岩石物理学研究具有重要的意义.     

模块化城镇地震灾害风险评估系统设计、开发与实现

本文为满足不同用户对于地震灾害风险评估功能的需求,在对地震灾害风险评估成果进行分析整理的基础上,研究设计、开发并实现了由一系列通用功能模块组成的模块化地震灾害风险评估系统。在设计阶段确定了各模块的功能、所需数据及其相互关系,分割出一系列高内聚低耦合的功能模块;在此基础上确定系统使用MEF插件式开发框架,以功能模块为单位进行软件开发,形成多个具有特定功能、互相独立的工具包;使用WPF技术对该系统平台进行开发,通过整合各功能模块,最终形成多模块灵活组合调用、满足不同用户需求的城镇地震灾害风险动态评估系统。     

三维激发极化法反演研究及其在金属矿勘探中的应用

激发极化法在金属矿、硫化矿等资源勘探方面应用较广.随着勘探设备与计算机硬件的发展,所采集到的数据具有观测数据量大、布极方式多样等特点.针对实测数据的特点,我们研究完成了基于并行技术的激发极化法对数反演算法,该算法具有如下特点：（1）通过压缩存储技术和并行技术的集成实现了可以处理大数据特征的反演算法;（2）利用对数反演来约束每次计算得到新模型的电导率恒为正,充电率在0到1之间变化,从而保证反演的稳定性和可靠性.本文首先设计了两组对比模型进行试验,通过对不同区块数据采用不同加权的方式来减弱噪声对反演结果影响的效果;其次,采用并行技术提高了反演的计算速度,并利用理论模型分析了不同电极装置对反演分辨率的影响.最后,在甘肃某金属矿开发前景区利用激发极化法开展了中梯装置的采集工作,利用加权后的观测数据反演推断出了测区金属矿开发靶区的大致位置及分布特征.     

大地电磁三维数据空间反演并行算法研究

目前大地电磁三维反演实际应用的主要问题是计算效率低.在对大地电磁三维数据空间反演算法进行深入分析的基础上,本文提出了基于频点和矩阵划分的大粒度并行反演方案和具体实现步骤,并在曙光TC5000A高性能计算平台上实现了基于MPI的大地电磁三维数据空间反演并行算法.该算法实现了包括三维正演、灵敏度矩阵、叉积矩阵以及模型改正量的并行执行,不仅计算效率高,而且每个节点机上灵敏度矩阵的存储空间只需原来微机上的2/N(N是参加并行计算的节点机个数),大大地减少了内存开销.通过两个理论模型合成的数据对实现的三维数据空间反演并行算法进行试算,对比分析了多个节点机下程序的执行效率.测试结果表明,所实现的三维数据空间反演并行算法是可行的、高效的,与单机相比,不仅可以提高运行速度,缩短计算时间,而且还可以扩大计算规模,极大地推动了大地电磁三维反演的实用化.