基于CPU/GPU异构并行加速的逆时偏移研究与应用

作     者：刘德聚 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高新成;陈国飞

授予年度：2021年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 081802[工学-地球探测与信息技术] 081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：逆时偏移 并行计算 CPU/GPU协同 任务调度 集群 

摘      要：随着油气勘探的深入,地震偏移成像技术是获取地下构造信息最直接有效的方法之一,目前地震偏移技术主要应用在叠前地震数据处理,叠前逆时偏移被认为是最为精确的获取地下构造的成像方法,在逆时偏移处理阶段会产生巨大的计算量和存储量。另外,油气勘探工作逐渐由二维勘探向三维勘探发展,在扩大勘探范围、提升勘探精度的同时,也大大增加了地震数据的计算量,对集群的计算性能和计算效率提出了更高的要求。近些年,GPU加速技术为地震数据处理的计算效率带来大幅的提升。随着大型计算集群的快速发展,GPU集群被主要应用于大规模地震数据处理,但存在异构节点协同计算等问题。本文结合叠前逆时偏移和高性能计算技术,研究提高逆时偏移数据处理计算效率,重点对CPU/GPU异构集群的并行计算、任务调度和存储优化等问题开展研究,取得主要研究成果有以下几方面:1.考虑到集群系统中节点的异构性,结合逆时偏移数据处理并行化特点,设计了逆时偏移数据并行处理框架模型,模型采用自适应节点两级任务均衡调度机制,实现了各节点间计算任务合理分配一级调度,实现了节点内计算任务的CPU/GPU二级协同调度。2.针对集群计算资源利用率等问题,本文综合考虑节点的计算能力和计算任务分配,研究节点间的负载均衡机制和节点权值计算方法,提出了异构集群环境下的逆时偏移计算任务均衡调度算法。通过实验表明,在计算任务执行的大部分时间内,各计算节点的CPU使用率维持在60%左右,GPU使用率在80%以上,各节点达到了较好的负载均衡效果。3.分析异构集群节点协同计算问题,研究CPU/GPU并行加速处理逆时偏移技术,将GPU加速技术应用于逆时偏移算法,优化了GPU存储策略,减少CPU与GPU之间的数据传输,提出了基于CPU多线程和多GPU卡协同加速逆时偏移计算方法。通过实验表明,在相同条件下,采用CPU多线程和多GPU卡协同加速处理的偏移任务,能够实现一定的线性加速效果。4.结合叠前逆时偏移应用,利用CPU/GPU异构并行加速逆时偏移计算方法,设计逆时偏移系统功能,开发逆时偏移软件,实现了叠前逆时偏移数据处理可视化操作界面,满足实际的业务需求。