基于GPU計(jì)算平臺(tái)的地震聲波正演模擬

孫福玉

基于GPU計(jì)算平臺(tái)的地震聲波正演模擬

孫福玉

（山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

由于人們對(duì)地震勘探的不懈深入研究，加之勘探工區(qū)逐漸復(fù)雜化，對(duì)地震勘探的分辨率要求逐漸加大。為了更準(zhǔn)確有效地認(rèn)識(shí)地震聲波的傳播規(guī)律，以便更好地為地震勘探的處理和解釋服務(wù)，要求地震數(shù)據(jù)處理人員能夠快速、高效和精準(zhǔn)地得到規(guī)模性地震模型的正演波場和地震記錄。將研究基于GPU（圖形處理單元，Graphic Processing Unit）計(jì)算平臺(tái)的地震聲波正演模擬的理論方法，力求做到更加高效快捷地探究地震聲波的規(guī)律。

地震勘探；地震波傳播；數(shù)據(jù)處理；正演模擬

1 發(fā)展現(xiàn)狀分析

為了更準(zhǔn)確更有效地認(rèn)識(shí)復(fù)雜介質(zhì)的地震波傳播規(guī)律，以便更好地對(duì)地震勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋服務(wù)，地震波理論的研究正從簡單到復(fù)雜，從均勻到非均勻，從各向同性到各向異性，從聲波、彈性波、粘滯聲波到粘彈性波，研究的模型越來越向?qū)嶋H地質(zhì)模型接近。為此，本課題將從最簡單的地震聲波入手，研究基于GPU計(jì)算平臺(tái)地震聲波正演模擬，進(jìn)而推廣到彈性波、粘滯聲波等，建立起更接近于真實(shí)情況的地下介質(zhì)構(gòu)造模型，力求更高效地進(jìn)行正演計(jì)算。將GPU計(jì)算應(yīng)用到地震聲波正演模擬中，最終形成計(jì)算效率比單CPU至少快50倍的地震聲波正演模擬軟件系統(tǒng)。GPU與CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1所示。

圖1 GPU與CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)比

目前廣泛出現(xiàn)在市場中的GPU已經(jīng)達(dá)到240個(gè)核（ALU），14億個(gè)晶體管，浮點(diǎn)運(yùn)算能力達(dá)到了每秒1萬億次，而四核CPU的浮點(diǎn)運(yùn)算能力僅為每秒700億次。這是由于GPU與CPU的設(shè)計(jì)思路不同導(dǎo)致的，眾所周知，CPU的優(yōu)勢是做單一工作，再將其結(jié)果或程序串聯(lián)起來。GPU的優(yōu)點(diǎn)是可以快速進(jìn)行大量復(fù)雜的密集同類計(jì)算。兩者的工作原理不一樣，解決的問題有關(guān)鍵的差別，合理利用兩者的鮮明特點(diǎn)，可以高效精準(zhǔn)地進(jìn)行高性能計(jì)算，從而提高運(yùn)算速度。本文考慮設(shè)計(jì)一個(gè)混合型的集群，GPU用來做大量的并行計(jì)算，CPU用來做宏觀調(diào)控，負(fù)責(zé)執(zhí)行命令代碼，將GPU的計(jì)算做到有條理，按照預(yù)設(shè)流程做好計(jì)算。通過兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)便將兩種不同處理裝置有機(jī)結(jié)合，大大提高了工作效率。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)以來，GPU技術(shù)發(fā)展迅猛，最初的GPU技術(shù)是應(yīng)用于視覺計(jì)算中的。基于GPU的通用計(jì)算（GPGPU，General computing Purpose on GPU）主要是利用圖形卡片進(jìn)行某些簡單計(jì)算，而不用圖像繪制，目前廣泛應(yīng)用于地球物理學(xué)大型實(shí)驗(yàn)基地與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2006年的CUDA問世引發(fā)了GPU通用計(jì)算的革命。將GPU計(jì)算和CPU計(jì)算相結(jié)合的計(jì)算方式迅速在各種地震勘探資料中發(fā)展起來，NVIDIA用于展示其CUDA計(jì)算性能的逆時(shí)偏移已經(jīng)取得了很高的效率。劉洪研究員帶領(lǐng)的課題組已經(jīng)成功將GPU超算技術(shù)應(yīng)用到地震成像中，提高計(jì)算效率50～100倍。以GPU/CPU協(xié)同并行計(jì)算的硬件環(huán)境性價(jià)比高，GPU機(jī)群占有空間小，節(jié)省電量，可以很大幅度地提高計(jì)算效率，從而達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)需要。

地震勘探是通過觀測和研究分析天然地震波、人工激發(fā)地震波的傳播，結(jié)合其他地球物理勘探方法的地質(zhì)結(jié)論，尋找礦產(chǎn)資源或查明地質(zhì)構(gòu)造和計(jì)算地下地層巖性的勘探方法。地震勘探的主要應(yīng)用范圍可概括為以下三點(diǎn)：找出成油遠(yuǎn)景區(qū)、尋找天然氣、尋找礦產(chǎn)資源。其在地質(zhì)勘查區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造研究分析中也被廣泛應(yīng)用，在地震勘探中，地震聲波的正演模擬不可或缺。

在地震波正演過程中，最常見的數(shù)學(xué)知識(shí)就是解差分方程，但是在地震勘探中所涉及的差分方程多數(shù)沒有解析解，尋求差分方程的數(shù)值解是當(dāng)時(shí)地球物理學(xué)家亟待解決的難題。國際知名地球物理學(xué)家Alterman和Karal首先將有限差分法應(yīng)用到類層狀介質(zhì)的地層中的彈性波的數(shù)值解的計(jì)算當(dāng)中。不久后Boore又將有限差分法進(jìn)行推廣，將其用于非均勻介質(zhì)的地層中的彈性波的數(shù)值解的計(jì)算。

地震勘探從地震波傳播、資料處理到油藏描述的諸多環(huán)節(jié)都離不開計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，特別是地震資料處理的成像計(jì)算、地球物理計(jì)算需應(yīng)用高性能計(jì)算機(jī)。隨著cell的問世和多核GPU計(jì)算水平的不斷提高，地球物理資料的計(jì)算速度不斷加快，給地球物理學(xué)的發(fā)展起到推波助瀾的作用。這種基于GPU的正演方法所需要的儀器設(shè)備計(jì)算能力強(qiáng)，功耗極低，已經(jīng)逐步在其他領(lǐng)域得到發(fā)展推廣，截至目前為止，基于GPU進(jìn)行地球物理資料處理已經(jīng)是相當(dāng)熱門的話題。

3 技術(shù)設(shè)計(jì)

擬以GPU代替CPU作為主要的數(shù)據(jù)處理器，充分發(fā)揮GPU具有高并行結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，編寫一套通過調(diào)用GPU對(duì)地震聲波正演進(jìn)行高效率處理的程序，將地震波正演時(shí)間壓到極低的水平。具體目標(biāo)是形成一套高效率的通過GPU來對(duì)地震聲波進(jìn)行正演模擬的方法，以及開發(fā)一套基于GPU計(jì)算平臺(tái)的地震聲波正演模擬的計(jì)算機(jī)軟件。研究內(nèi)容包括：①建立復(fù)雜的地下介質(zhì)構(gòu)造模型；②CPU與GPU運(yùn)算處理過程研究與分析；③從二維波動(dòng)方程入手，學(xué)習(xí)現(xiàn)有的地震聲波正演方法設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法并編寫程序，模擬出地震聲波波場；④研究技術(shù)路線，如圖2所示。

圖2 研究技術(shù)路線

4 總結(jié)

截至目前為止，地震學(xué)仍然是地球科學(xué)中重要的學(xué)科。此勘探手段起步早，覆蓋面最廣，是一門比較綜合的學(xué)科，可以滿足大多數(shù)地球物理勘探的要求。無論是尋找成礦遠(yuǎn)景區(qū)、區(qū)域概查、地區(qū)詳查、地質(zhì)構(gòu)造精查細(xì)測、尋找油氣資源等都是最基本且最關(guān)鍵的技術(shù)手段。在地震勘探中正演問題是根據(jù)地震波傳播查找礦產(chǎn)資源和查明地質(zhì)構(gòu)造的理論基礎(chǔ)。因此，探究正演問題的解的穩(wěn)定性，提高運(yùn)算速度相當(dāng)關(guān)鍵。應(yīng)用GPU和CPU相結(jié)合的計(jì)算系統(tǒng)，可以使地震勘探中資料處理階段更加高效。將其應(yīng)用于油氣勘探等領(lǐng)域會(huì)大大提高工作效率。

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2095－6835（2020）10－0133－02

TP315.62

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.059

孫福玉（1998—），男，山東德州人，本科在讀，目前主要從事與地球物理相關(guān)的專業(yè)研究。

〔編輯：王霞〕