[发明专利]三维波动方程有限差分数值模拟方法及装置

说明书

本申请公开了一种三维波动方程有限差分数值模拟方法及装置，该方法包括：定义三维速度模型中GPU线程块的大小，根据GPU线程块的大小将计算平面划分成多个子区域；根据扩边长度和GPU线程参数定义指示寄存器变量；针对每个子区域，确定该子区域对应的GPU线程参数，根据扩边长度和GPU线程参数确定该子区域外每个扩边区域对应的指示寄存器变量的状态；根据每个指示寄存器变量的状态确定该指示寄存器变量对应的扩边区域加载到共享内存中的数据；根据子区域和子区域外扩边区域加载到共享内存中的数据，进行三维波动方程有限差分数值模拟。本申请可以减少三维波动方程高阶有限差分算法对GPU显存的需求以及GPU显存带宽的浪费。

技术领域

本申请涉及地球物理勘探地震波数值模拟技术领域，尤其涉及一种三维波动方程有限差分数值模拟方法及装置。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

在勘探地球物理学领域，基于图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)的三维波动方程高阶有限差分算法具有非常广泛的应用前景，这类算法不但可以指导地球物理勘探的施工设计，还是许多地球物理成像方法的基础。但是GPU的显存容量通常比较小，难以满足地球物理勘探对大尺度三维模型数值模拟的需求，因此减少三维波动方程高阶有限差分算法对于GPU显存的需求是十分有必要的。

在应用高阶有限差分算法求解三维波动方程时，为了使得全部模拟区域都满足算法设计的差分阶数，需要对三维模型进行扩边处理，扩边的大小通常为差分阶数的一半，例如，8阶有限差分需要进行4个点的扩边。在使用CPU计算时，由于CPU对内存的访问更加灵活且内存容量非常大，所以扩边处理不会对地震波数值模拟产生较大的影响。但是在GPU计算环境，由于GPU采用合并访问的显存读写方式，所以为了达到最佳的显存读写性能，扩边的大小必须是8的倍数(此处采用32位的浮点数进行计算)，比如，当按照差分阶数确定进行4个点的扩边时，由于GPU显存读写方式的影响，需要实际采用8的倍数即8个点进行扩边，这样就会占用相当数量的显存。假设三维声波介质的三个边界长度都是512，每个变量占用内存大小为512MB，如果在两侧进行8个点的扩边，扩边后边长是528，每个变量占用内存大小为561MB，接近10％的显存都被用于无意义的存储了；如果进行4个点的扩边，扩边后的边长是520，每个变量占用内存大小为536MB，虽然只有4.5％的显存用于扩边，但是因为不符合显存合并访问的要求，会造成20％的显存宽带损失，降低整体的运行速度。

在使用CPU计算时，还有一种处理方法是在临近边界的区域逐渐减少差分的阶数，但是这样做需要大量的分支判断语句，也不适用于GPU计算，并且在边界区域计算精度和稳定性都会降低。通过上面分析可知，现行的CPU的差分边界处理方法都不适用于GPU的差分计算。

目前通常使用的GPU三维波动方程高阶有限差分算法是一种局部内存阻塞算法(GPU的局部内存包含共享内存和寄存器)。这种算法需要对模型进行分区，每个GPU线程块计算一个子区域。对于每一个子区域(或GPU线程块)通过共享内存对显存最快速方向和第二快速方向的数据进行缓存，并通过寄存器对显存最慢速方向(即第三快速方向)的数据进行缓存。由于有限差分算法需要对每一个数据点多次重复利用，并且共享内存和寄存器的速度远远快于显存，局部内存阻塞算法可以极大的提高整体的计算速度。

但是，这种算法依然存在对GPU显存的需求大的问题，并且，对GPU显存扩边会造成GPU显存带宽的浪费。

发明内容

本申请实施例提供一种三维波动方程有限差分数值模拟方法，用以减少三维波动方程高阶有限差分算法对GPU显存的需求以及GPU显存带宽的浪费，该方法包括：