波动方程地震波场数值模拟的并行算法.pdfVIP

波动方程地震波场数值模拟的并行算法 李佩余德平 中国石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所，江苏南京，210014 摘要高性价比的PCCluster取代昂贵的并行机进行大规模计算是当前地球物理学界研究和应用 的一个热点问题。利用并行技术在PcCluster上实现波动方程地震渡场数值模拟是解决波动方程 数值模拟大运算量和大内存需求问题的主要途径。在此，我们根据二维和三维波动方程地震波场 数值模拟各自的特点，提出了两种高效率的并行算法，并在基于安腾2芯片的64位机群上对两种 算法的并行效率和加速比进行了测试。 Cluster并行并行效率加速比 关键词波动方程地震波场数值模拟PC 随着现代油气勘探工作正向着复杂介质领域的推进，传统的基于层状介质理论的勘探技 术受到越来越多的制约，究其原因是我们对复杂介质中波场传播规律的认识不足。数值模拟 技术就是用数学计算的方法研究地震波在地下的传播过程并生成地震记录的过程。开展地震 波场数值模拟技术研究，一方面可以帮助我们提高对复杂介质中地震波传播规律的认识，另一 方面可以检验各种数据处理和解释方法技术的应用效果，并提出一些有针对性的解决方案，因 此数值模拟技术已成为勘探地球物理学的一个重要研究领域。 数值模拟技术主要分为积分方程法、微分方程法和近似方程法3种。由于波动方程数值 模拟需要将求解区域离散成网格进行计算，因此其所需的计算机资源已远远超出了单台计算 机的能力。而高性能的超级计算机园价格昂贵和国外的技术封锁而难以广泛的使用。 近年来，PcCluster因其建设、维护和升级的成本低，可扩展性好，计算能力强以及通用和 跨平台的并行计算软件开发环境(PVM、MPI等)等优点在石油工业中得到了广泛的应用，尤 Cluster系 其是在叠前深度偏移处理等方面。国际上主要地震数据处理软件也都已移植到PC 统平台上。 PC Clus— Cluster的广泛使用为数值模拟技术的发展提供了硬件保障，数值模拟技术在PC ter上的并行实现方法也层出不穷，这些方法解决了数值模拟在机群上的实现难题。但是采用 不同的并行算法，程序的执行效率可能有几倍、几十倍甚至上百倍的差异。现阶段许多针对模 拟的并行算法只考虑了如何在机群上实现，对程序的执行效率和负载平衡考虑较少，并未充分 发挥PCCluster的计算性能。开发出高效率的并行算法，充分发挥机群的运算能力，降低数值 模拟运算的成本，对地震波场数值模拟技术的广泛应用至关重要的。 目前两种最重要的并行编程模型是数据并行和消息传递。数据并行的编程级别较高， 编程相对简单，但仅适合数据并行问题；消息传递的编程级别较低，但执行效率高，应用广 泛。 MPI是目前最重要的消息传递编程模型，是广泛用于多类并行机，特别是分布存储并行机 的一种模式。它具有移植性好、功能强大、效率高的特点，可以让用户完全掌握整个系统的运 行情况、机器间各种通信的细节，从而编写出高效的并行程序。 一?j7一 针对二维和三维地震波场数值模拟的特点，我们提出了基于MPI模式的可移植性好、并 行效率高的二维并行算法和三维并行算法，并64位机群系统上实现，取得了较高的运行效率。 1 二维波动方程数值模拟的并行算法 对于机群计算而言，数值或非数值计算的性能不能完全决定系统的整体性能。一次通信 的开销要远大于计算的开销，因此提高计算时间相对于通信时问的比重，减少通信次数是提高 并行效率的关键。 波动方程地震波场数值模拟一般按炮进行计算，炮与炮之问的信息基本相互独立。对于 二维波动方程模拟，一般单炮计算所需的内存在100—200MB之间，目前的PCCluster一个节 点通常配置了1～2GB的内存，一个节点的内存可以满足单炮计算的内存需求。因此，我们采 用了主从模式的并行算法，即用一个CPU作为控制节点，用于任务的分配和计算结果的回收； 其余的CPU作为计算节点，完成实际的