免费论文：基于GPU的三维地震正演模拟的研究与实现

地震正演模拟是地球物理勘探和地震学的重要组成部分，不仅广泛应用于天然气、石油、煤、金属和非金属等矿产资源的勘探，还被广泛使用于地震灾害预测、地震区带划分以及地壳构造和地球内部结构研究等工程和环境地质物理领域。正演模拟的有限差分方法对地质模型无限制，是一种有效的数值模拟方法，但因其计算量非常大，制约了它的在三维地质模型中的应用。近年来，随着GPU浮点计算能力的迅速提高，基于GPU的并行计算技术为求解大规模计算任务带来了新的契机。本文将尝试在GPU上使用有限差分法来解决三维地震正演模拟问题。本文首先深入研究了地震正演模拟的理论基础——波动方程，并建立了波动方程的高阶有限差分形式。我们选定三维声波方程来进行正演模拟，为了消除人工边界造成的反射影响，选用了PML(Perfect Match Layer)边界条件；使用交错网格技术建立了空间10阶，时间2阶的差分形式，并对差分形式的稳定性进行了分析。在GPU并行策略上，考虑到当前时刻波场的计算仅与前一时刻的波场有关，本文先后采用了线、块和片三种划分粒度进行并行加速。通过比较和分析发现，片粒度策略使用每个线程计算一条Z线上节点的波场值，不仅能够充分发挥GPU的计算能力，而且可以利用片内共享内存、寄存器和纹理映射内存等优化技术，实现了最佳的加速效果。实验结果表明，片粒度策略较线粒度策略最高可取得1.96倍的加速比，较单核CPU可取得89~304倍的加速比。单GPU的显存和计算能力依然有限，当地质模型较大时，仍然难以胜任，为此考虑多机多GPU的并行计算模式。我们将地质模型分为多块，每块交由一个GPU去计算，块间的边界数据通过MPI(Message Pass Interface)交换。为了提高效率，将计算过程分成两阶段进行，第一阶段计算边界数据，第二阶段传输边界数据，同时计算剩余部分的波场值。本文还提出了一种定量分析多GPU分块数、GPU计算能力、网络带宽、Z轴尺寸和差分阶数五者之间关系的方法，并给出了公式。最后，实现了一个支持单GPU和多GPU的地震正演模拟系统，并通过实验测试了以上算法的性能及其正确性。

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