波动方程叠前深度偏移算法的并行化研究与实现.pdfVIP

波动方程叠前深度偏移算法的并行化研究与实现 李玉岗 石锦彩 张法 陈英 冯圣中 孙凝晖 ( 中国科学院计算技术研究所) ( {lyg; jcs; zf; yingchen; fsz; snh)@ncic.ac.cn) 摘 要 波动方程叠前深度偏移算法在石油勘探地质成像方面起着不可替代的作用，该算法 对海量叠前数据进行处理。庞大的计算量是波动方程三维叠前深度偏移的理论研究深化及其 向工业界推广应用的主要障碍之一。集群式并行机的出现使得以较低成本实现波动方程三维 叠前偏移计算成为可能。因此，针对集群式并行机对该算法进行并行化十分必要。该算法的 思路是从数据文件中提取出一炮的数据，对该炮数据进行炮偏移计算，最后将所有炮偏移计 算结果叠加。针对这些特点，我们提出了一种具有较高的并行加速比和良好的可扩展性的并 行化方法，并在曙光机上进行了实算，获得了较好的结果。 关键字 曙光 3000 MPI 并行计算 负载平衡 集群式并行机 1. 简介 偏移作为地震资料处理中最重要的环节，已经由时间偏移向深度偏移、由二维偏移向三 维偏移、由叠后偏移向叠前偏移发展。叠前深度偏移成像所面临的问题主要有：1）如何对 大倾角的地层准确保幅成像；2 ）如何处理横向剧烈变速和对复杂构造（盐丘下构造、深部 古潜山内幕等）的成像；3 ）如何由二维向三维扩展；4 ）如何提高计算速度以面对海量的叠 前数据等。 地震勘探在石油地质勘探中占据十分重要的位置，当前最为有效的石油勘探方法是人工 地震勘探，这是一种需以强大运算能力为基础的专门技术。例如，100 平方公里的三维地震 资料数据多达 30GB-60GB，这些数据的分析计算、深度偏移和成像技术，如果使用运算速 度为每秒 10 亿次的计算机进行运算，至少需要 60 天。长期以来，庞大的计算量阻碍了波动 方程三维叠前深度偏移的理论研究深化及其向工业界推广应用。集群式并行机的出现使得以 甚低成本实现波动方程三维叠前深度偏移计算，从而极大程度地使研究深化成为可能。 因此，开展针对石油勘探的高性能计算机硬件和功能强大的计算机软件的研制具有巨大 的经济效益和现实意义。开展针对波动方程叠前深度偏移并行计算技术研究十分必要。 本文是在共炮集波动方程三维叠前深度偏移算法基础上完成的，主要开展了串行程序性 能测试、并行策略设计与实现、动态负载平衡策略设计与实现、炮状态生成与复算实现、并 行加速比和可扩展性的分析以及在曙光 3000 上的实算等工作。 本文的结构安排如下：第二部分介绍波动方程叠前深度偏移算法；第三部分介绍波动方 程叠前深度偏移并行算法的设计与分析；第四部分介绍实验结果；第五部分介绍结论与进一 步的优化方向。 2. 波动方程叠前深度偏移算法 波动方程叠前深度偏移基本算法是从数据文件中提取出一炮的数据，对该炮数据进行 炮偏移计算，将所有炮偏移计算结果叠加，见算法一。为了对该算法进行并行化，我们首先 寻找该算法的 hotspot 。将该算法的串行程序进行模块划分，嵌入时间戳，进行计算性能测 试，在曙光 3000 上的测试结果如表 1。由测试结果可以看出，炮偏移计算（ashotmig() ）所 花费的时间最多，达到 99.8% 。 算法一： 1. 读入数据 2. 查炮数，记录每一炮的指针定位 3. 炮循环 4. 读入地震数据，数据体存入 p，道头存入 head 5. 确定本炮速度模型的范围 6. 读入速度文件 7. ashot3dmig()，对此炮作偏移 8. 保存临时结果 9. 炮数 nxshot 是否为零，否转 3，是转 10 10. Add，叠加 11. 结束 表 1 hotspot 测试 项目 平均时间（s ） 百分比% （单炮） 初始化时间 1.0 0.066 炮偏移数据准备 1.5 0