[發明專利]一種利用CPU/MIC協同計算加速地震疊前時間偏移的方法

有效

• 申請號: 201210475876.2
• 申請日: 2012-11-22
• 公開（公告）號: CN103018776A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 張清;張廣勇
• 申請（專利權）人: 浪潮電子信息產業股份有限公司
• 主分類號: G01V1/28
• 分類號: G01V1/28;G01V1/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及計算機高性能計算領域、石油地震勘探領域，具體地說是一種利用CPU/MIC協同計算加速地震疊前時間偏移的方法。

背景技術

地震疊前時間偏移(簡稱PSTM)已進行了多年研究，上世紀九十年代初期開始初步應用，中后期在不少探區的地震勘探中發揮了重要作用，進入本世紀后開始了較為廣泛的應用，目前部分處理公司和計算中心已把該技術作為常規軟件加入到常規處理流程中，成為獲取保幅信息實現屬性分析、AVO/AVA/AVP反演和其它參數反演的重要步驟和依據。

PSTM是復雜構造成像最有效的方法之一，能適應縱橫向速度變化較大的情況，適用于大傾角的偏移成像。PSTM每輸出一個地震道，就是一次海量運算。以1毫秒采樣，6秒數據為例，一個地震道的輸出需要至少1000萬道甚至更多（偏移孔徑決定）的輸入道，每一個點要做兩次均方根運算以及兩次加法運算，振幅補償兩次乘法運算。如此計算下來，實現一道偏移需要1000000×6000×2×(平方+加法+乘法)次數學運算，計算量和需要處理的數據量都極其巨大！

目前，人們往往使用大規模的服務器集群來進行疊前偏移處理，其原理是將數據先分配到各個CPU核上，然后由各個CPU核單獨進行計算，最后將結果匯總輸出。這種做法消耗了大量的時間、電力和維護費用。而且，隨著人們對石油勘探地震資料處理的周期要求越來越短，精度要求越來越高，服務器集群的規模越做越大，在系統構建成本、數據中心機房空間、內存和I/O帶寬、功耗散熱和電力限制、可管理性、編程簡易性、擴展性、管理維護費用等方面都面臨著巨大的挑戰。

MIC是Intel公司開發的，用于高性能并行計算的眾核芯片,具有超高計算性能。MIC在計算機體系中，并非欲取代CPU，而是作為協處理器存在的。MIC芯片通常有50個以上精簡的x86核心，每個core支持4個硬件線程，可并行執行的任務數達到200以上，提供高度并行的計算能力，其雙精峰值性能達到1TFlops。

發明內容

本發明鑒于現有地震疊前時間偏移（簡稱PSTM）在應用中存在的問題，及MIC高性能并行計算的特點，提供一種利用CPU/MIC協同計算加速地震疊前時間偏移的方法。??

本發明是以PSTM的計算劃分、PSTM的性能瓶頸及PSTM計算部分串行算法的并行分析為基礎進行提出的，下面對這三點加以說明：

a)??PSTM的計算劃分：分析PSTM程序，按照功能把PSTM劃分為FFT計算部分和PSTM計算部分；

b)??PSTM的性能瓶頸：PSTM計算占整個PSTM程序運行的絕大部分時間，PSTM計算部分是整個PSTM的性能瓶頸部分；

c)??PSTM計算部分串行算法的并行分析：通過分析PSTM計算部分串行算法，地

震道數據之間可以并行處理，而每一地震道數據內，它所要處理L_NUM條側線與每條側線對應的CMP_NUM個CMP點，即所要處理的CMP點數為L_NUM*CMP_NUM，每個點可以實現并行。

本發明所提出的加速地震疊前時間偏移的方法，是按如下方式解決所述技術問題的：該方法采用CPU與MIC異構架構，其中CPU負責FFT計算、讀地震道數據、進程控制與調度，還參與PSTM計算，而MIC只做PSTM計算，同時計算之間采用異步并行思想及動態負載均衡方式，實現CPU與MIC協同計算與共同計算，達到加速PSTM的目的；該方法整體設計包含三個方面：PSTM計算部分串行算法的并行設計、PSTM整體邏輯結構設計及CPU與MIC的異步計算設計。?

下面對該方法整體設計的各個方面進行說明：

（1）PSTM計算部分串行算法的并行設計

不同的地震道放在CPU或者MIC設備，實現設備間的并行，同時達到動態負載均衡，對于每一道數據而言，CMP點按照每個設備所起的線程數進行并行；

（2）PSTM整體邏輯結構設計

該CPU/MIC異構系統包含2個MIC卡和2塊CPU，CPU端負責進程調度、FFT計算，并參與PSTM計算；MIC端只負責PSTM計算，CPU與MIC實現協同計算與共同計算；CPU端起3個計算進程：計算進程1負責控制MIC1的計算，計算進程2負責控制MIC2的計算，計算進程3負責控制2塊CPU的計算；

（3）CPU與MIC的異步計算設計