基于GPU計算平臺的地震聲波正演模擬

孫福玉

基于GPU計算平臺的地震聲波正演模擬

孫福玉

（山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590）

由于人們對地震勘探的不懈深入研究，加之勘探工區逐漸復雜化，對地震勘探的分辨率要求逐漸加大。為了更準確有效地認識地震聲波的傳播規律，以便更好地為地震勘探的處理和解釋服務，要求地震數據處理人員能夠快速、高效和精準地得到規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）計算平臺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律。

地震勘探；地震波傳播；數據處理；正演模擬

1 發展現狀分析

為了更準確更有效地認識復雜介質的地震波傳播規律，以便更好地對地震勘探數據進行處理和解釋服務，地震波理論的研究正從簡單到復雜，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實際地質模型接近。為此，本課題將從最簡單的地震聲波入手，研究基于GPU計算平臺地震聲波正演模擬，進而推廣到彈性波、粘滯聲波等，建立起更接近于真實情況的地下介質構造模型，力求更高效地進行正演計算。將GPU計算應用到地震聲波正演模擬中，最終形成計算效率比單CPU至少快50倍的地震聲波正演模擬軟件系統。GPU與CPU的內部結構對比如圖1所示。

圖1 GPU與CPU的內部結構對比

目前廣泛出現在市場中的GPU已經達到240個核（ALU），14億個晶體管，浮點運算能力達到了每秒1萬億次，而四核CPU的浮點運算能力僅為每秒700億次。這是由于GPU與CPU的設計思路不同導致的，眾所周知，CPU的優勢是做單一工作，再將其結果或程序串聯起來。GPU的優點是可以快速進行大量復雜的密集同類計算。兩者的工作原理不一樣，解決的問題有關鍵的差別，合理利用兩者的鮮明特點，可以高效精準地進行高性能計算，從而提高運算速度。本文考慮設計一個混合型的集群，GPU用來做大量的并行計算，CPU用來做宏觀調控，負責執行命令代碼，將GPU的計算做到有條理，按照預設流程做好計算。通過兩者的優勢互補便將兩種不同處理裝置有機結合，大大提高了工作效率。

2 國內外研究現狀

進入21世紀以來，GPU技術發展迅猛，最初的GPU技術是應用于視覺計算中的。基于GPU的通用計算（GPGPU，General computing Purpose on GPU）主要是利用圖形卡片進行某些簡單計算，而不用圖像繪制，目前廣泛應用于地球物理學大型實驗基地與數據中心進行數據處理。2006年的CUDA問世引發了GPU通用計算的革命。將GPU計算和CPU計算相結合的計算方式迅速在各種地震勘探資料中發展起來，NVIDIA用于展示其CUDA計算性能的逆時偏移已經取得了很高的效率。劉洪研究員帶領的課題組已經成功將GPU超算技術應用到地震成像中，提高計算效率50～100倍。以GPU/CPU協同并行計算的硬件環境性價比高，GPU機群占有空間小，節省電量，可以很大幅度地提高計算效率，從而達到工業生產需要。

地震勘探是通過觀測和研究分析天然地震波、人工激發地震波的傳播，結合其他地球物理勘探方法的地質結論，尋找礦產資源或查明地質構造和計算地下地層巖性的勘探方法。地震勘探的主要應用范圍可概括為以下三點：找出成油遠景區、尋找天然氣、尋找礦產資源。其在地質勘查區域地質構造研究分析中也被廣泛應用，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，最常見的數學知識就是解差分方程，但是在地震勘探中所涉及的差分方程多數沒有解析解，尋求差分方程的數值解是當時地球物理學家亟待解決的難題。國際知名地球物理學家Alterman和Karal首先將有限差分法應用到類層狀介質的地層中的彈性波的數值解的計算當中。不久后Boore又將有限差分法進行推廣，將其用于非均勻介質的地層中的彈性波的數值解的計算。

地震勘探從地震波傳播、資料處理到油藏描述的諸多環節都離不開計算機的應用，特別是地震資料處理的成像計算、地球物理計算需應用高性能計算機。隨著cell的問世和多核GPU計算水平的不斷提高，地球物理資料的計算速度不斷加快，給地球物理學的發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備計算能力強，功耗極低，已經逐步在其他領域得到發展推廣，截至目前為止，基于GPU進行地球物理資料處理已經是相當熱門的話題。

3 技術設計

擬以GPU代替CPU作為主要的數據處理器，充分發揮GPU具有高并行結構的特點，編寫一套通過調用GPU對地震聲波正演進行高效率處理的程序，將地震波正演時間壓到極低的水平。具體目標是形成一套高效率的通過GPU來對地震聲波進行正演模擬的方法，以及開發一套基于GPU計算平臺的地震聲波正演模擬的計算機軟件。研究內容包括：①建立復雜的地下介質構造模型；②CPU與GPU運算處理過程研究與分析；③從二維波動方程入手，學習現有的地震聲波正演方法設計相應的算法并編寫程序，模擬出地震聲波波場；④研究技術路線，如圖2所示。

圖2 研究技術路線

4 總結

截至目前為止，地震學仍然是地球科學中重要的學科。此勘探手段起步早，覆蓋面最廣，是一門比較綜合的學科，可以滿足大多數地球物理勘探的要求。無論是尋找成礦遠景區、區域概查、地區詳查、地質構造精查細測、尋找油氣資源等都是最基本且最關鍵的技術手段。在地震勘探中正演問題是根據地震波傳播查找礦產資源和查明地質構造的理論基礎。因此，探究正演問題的解的穩定性，提高運算速度相當關鍵。應用GPU和CPU相結合的計算系統，可以使地震勘探中資料處理階段更加高效。將其應用于油氣勘探等領域會大大提高工作效率。

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2095－6835（2020）10－0133－02

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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的專業研究。

〔編輯：王霞〕