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(qū)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(guī)律，以便更好地為地震勘探的處理和解釋服務，要求地震數(shù)據(jù)處理人員能夠快速、高效和精準地得到規(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(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

為了更準確更有效地認識復雜介質的地震波傳播規(guī)律，以便更好地對地震勘探數(shù)據(jù)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(tǒng)。GPU與CPU的內(nèi)部結構對比如圖1所示。

圖1 GPU與CPU的內(nèi)部結構對比

目前廣泛出現(xiàn)在市場中的GPU已經(jīng)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(yōu)勢是做單一工作，再將其結果或程序串聯(lián)起來。GPU的優(yōu)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(diào)控，負責執(zhí)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(yōu)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(nèi)外研究現(xiàn)狀

進入21世紀以來，GPU技術發(fā)展迅猛，最初的GPU技術是應用于視覺計算中的?；贕PU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(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)處理。2006年的CUDA問世引發(fā)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(fā)展起來，NVIDIA用于展示其CUDA計算性能的逆時偏移已經(jīng)取得了很高的效率。劉洪研究員帶領的課題組已經(jīng)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(xié)同并行計算的硬件環(huán)境性價比高，GPU機群占有空間小，節(jié)省電量，可以很大幅度地提高計算效率，從而達到工業(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，結合其他地球物理勘探方法的地質結論，尋找礦產(chǎn)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(qū)、尋找天然氣、尋找礦產(chǎn)資源。其在地質勘查區(qū)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(shù)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(shù)沒有解析解，尋求差分方程的數(shù)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(shù)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(shù)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(huán)節(jié)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(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備計算能力強，功耗極低，已經(jīng)逐步在其他領域得到發(fā)展推廣，截至目前為止，基于GPU進行地球物理資料處理已經(jīng)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(shù)據(jù)處理器，充分發(fā)揮GPU具有高并行結構的特點，編寫一套通過調(diào)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(fā)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(nèi)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(xiàn)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(shù)地球物理勘探的要求。無論是尋找成礦遠景區(qū)、區(qū)域概查、地區(qū)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(jù)地震波傳播查找礦產(chǎn)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(wěn)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(tǒng)，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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A

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(yè)研究。

〔編輯：王霞〕