基于图形处理器的伪谱和高阶有限 差分混合方法地震波数值模拟

崔丛越; 张献兵; 王彦宾

doi:10.11939/jass.2015.02.009

基于图形处理器的伪谱和高阶有限差分混合方法地震波数值模拟

中国北京 100871 北京大学地球与空间科学学院

基金项目: 国家自然科学基金(41090292, 41174034)资助.

详细信息

通讯作者:
张献兵, e-mail: xbzhang@pku.edu.cn

中图分类号: P315.3⁺1, P315.69
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出版历程
- 收稿日期: 2014-06-11
- 修回日期: 2015-01-02
- 发布日期: 2015-02-28

GPU-based simulation of seismic wave propagation with hybrid PSM/FDM method

School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China

摘要

摘要: 伪谱和高阶有限差分混合方法，在垂直方向采用交错网格有限差分算子，利用其并行程度高的特点，在水平方向采用伪谱算子，保留其高精度的优势，是计算地震波场的有效方法. 图形处理器(graphic processing unit，简写为GPU) 由于其高度并行性，在计算此类问题中有显著的优势. 由英伟达(NVIDIA)公司推出的统一计算设备架构(compute unified device architecture，简写为CUDA)平台极大地简化了GPU编程的难度. 为提高计算效率，本文实现了基于CUDA 平台的混合方法二维地震波场模拟. 然后基于二维均匀介质模型将CPU与GPU版本的运行时间进行对比. 实际测试结果表明，基于CUDA 的并行模拟方法在保证计算精度的同时显著地提高了计算速度，为开展大规模非均匀地球介质地震波传播数值模拟提供了一种可选的方法.
- 地震波场模拟 /
- 并行计算 /
- 图形处理器 /
- 混合方法
Abstract: Hybrid PSM/FDM method, approximating the horizontal spatial derivative with pseudospectral method (PSM) while using finite difference method (FDM) to approximate the vertical spatial derivative, is an efficient technique in seismic wave simulation because it makes usage of both the high level of parallelism in FDM and the great accuracy in PSM. With natural parallelism, graphic processing unit (GPU) is very suitable for calculating such kind of problem, and compute unified device architecture (CUDA) drastically simplifies GPU programming. In order to improve the computing efficiency, in this paper, we implemented the 2D hybrid method for seismic wave simulation based on CUDA. The GPU-based hybrid method brings about significant speedup according to numerical tests performed in this paper and proves to be a reliable way for simulating large scale seismic wave propagation.
- seismic wave simulation /
- parallel computing /
- graphic processing unit (GPU) /
- hybrid method

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图 1 混合方法网格划分

Figure 1. Arrangement of the staggered grids

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图 2 CUDA程序中的线程结构

Figure 2. Arrangement of threads in CUDA

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图 3 统一内存示意图

Figure 3. Skematic diagram of unified memory

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图 4 不同网格数的加速比

Figure 4. Speedup in various number of grids

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图 5 兰州盆地模型地表水平分量u_x和垂直分量u_z的合成地震图

Figure 5. Horizontal and vertical component of synthetic waveforms in Lanzhou basin model

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图 6 不同时刻时地震波传播的波场快照. 图中红色和绿色分别表示P和SV波

Figure 6. Wavefield snapshots at t=4，8，10，14，22，30 s，where red and green represent P and SV waves，respectively

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表 1 测试环境

Table 1 Test environment

CPU	内存/GB	GPU	显存/GB	GCC版本	NVCC版本
Intel Core i5-4570	4	NVIDIA GeForce GTX 750	1	4.6.3	6

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表 2 计算耗时表

Table 2 Elapsed time

网格数	B/T	GPU耗时/s	CPU耗时/s	加速比
128×128	2	0.84	16.03	190.8
256×256	4	1.96	67.10	34.23
512×512	8	6.42	266.91	41.57
1024×1024	16	22.79	1186.99	52.08
2048×2048	32	87.98	5223.65	59.37
注： B为线程块数，T为每个线程块中的线程数.

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参考文献(28)

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