基于众核架构的地震波场延拓方法

Seismic wavefield extrapolation is a critical foundation of seismic exploration. The deep involvement of high performance computing can effectively enhance the efficiency while maintaining the accuracy of wavefield extrapolation. Therefore, we plan to develop a high performance seismic wavefield extrapolation theory and method based on many-core structure. The framework of the platform with a user-friendly interface will be constructed by giving overall consideration to wavefield extrapolation involved in the areas of forward modeling, acquisition, processing, and inversion. Then we will develop a many-core-based library of fundamental algorithms including FFT, matrix decomposition, sparse matrix operation, and implicit finite difference, which require a large amount of computing resources and/or involve intensive node communications. We will also develop an optimization strategy for multi-layer parallel computing on many-core structure super computer. The library and the optimization strategy are then incorporated into the framework to build the wavefield extrapolation platform that is highly feasible and can fulfill the demand from different areas of seismic exploration. In order to achieve efficient concurrent implementations of seismic wavefield extrapolation and data compression utilizing different processors on the same node, a data compression method featured with high fidelity and many-core computation will be developed as well. This project endeavors to solve the fundamental scientific issues of seismic exploration in the aspect of high performance computing. The research achievements will promote the application of high performance computing in the area of seismic exploration.

地震波场延拓方法与高性能计算技术的有效结合是保证波场延拓精度、提高波场延拓效率的重要途径。为此，本研究拟基于众核架构计算机建立高性能地震波场延拓理论和方法。兼顾地震正演、采集、处理、反演等领域中的地震波场延拓算法，构建面向用户的界面友好的地震波场延拓框架；针对快速傅里叶变换、矩阵分解、稀疏矩阵求解、隐式有限差分等关键基础算法需要大量节点或卡间数据通讯的特点，研发基于多种众核硬件的分布式计算技术，形成基于众核架构的地震波场延拓基础算法库；建立基于众核架构超级计算机的多层次并行优化策略，形成面向地震勘探多领域应用的高度可拓展性的地震波场延拓平台；研发基于众核架构的高保真数据压缩与解压缩技术，实现在众核架构下使用不同类型的处理器进行波场延拓与数据压缩时的高效并发运行。本项目力图解决地震勘探在高性能计算方面的基础科学问题，研究成果将会促进高性能计算在地震勘探领域中的有效应用。

本项目将地震勘探技术中关键环节之一的地震延拓方法作为研发核心，部署于基于众核架构的高性能计算机，实现地震波场延拓技术与众核架构高性能计算资源更为有效地结合，力图解决地震波场延拓在高性能计算方面的基础科学问题。.众核架构作为高性能计算的主要构成方式，海量的处理核心和存储空间可以有效满足地震波场延拓对精度和效率的需求。然而，基于众核架构的波场延拓技术面临着双重复杂性：复杂的波场延拓方法和复杂的并行层次，这种双复杂性严重制约了地震波场延拓技术与高性能计算平台的有机结合。.为此，本项目采用QT GUI C++技术来设计波场延拓平台框架，构建了面向用户的界面友好的地震波场延拓框架；分别基于CPU、NVIDIA GPU等众核计算设备构建了地震波场延拓基础算法的分布式并行算法库，主要包括高维快速傅里叶变换（FFT）、隐式有限差分、矩阵分解以及矩阵运算等；采用“炮检并行+单炮多核并行”的并行计算方案，构建了模块共享的波场延拓处理流程，在同一标准接口下设计并编程实现了各个功能模块，形成了基于众核架构的波场延拓算法平台；基于稀疏变换技术及稀疏编码技术，建立了一种高效、实用的震源波场稀疏存储策略，为大规模的集群作业提供了一种有效的波场延拓解决方案。将编制的基于众核架构的地震波场延拓软件模块集成到东方地球物理公司GeoEast处理解释一体化系统，测试结果表明了其可行性和正确性。本项目完成了基于众核架构的地震波场延拓方法的研究。.项目研究期间，发表标注（项目资助号：41774139）的期刊论文25篇，被SCI收录23篇、EI收录19篇；在SEG/EAGE国际地球物理年会上宣读并发表标注（项目资助号：41774139）的会议论文9篇，被EI收录8篇。获批国家发明专利4项。获得中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖1项。指导的博士生获得山东省优秀博士论文奖1篇，指导的硕士生获得中国地球物理学会优秀学生论文奖1项。毕业博士研究生6名、硕士研究生12名。作为召集人主办地震成像国际学术会议1次，包括Tariq Alkhalifah、Mrinal Sen、Rushan Wu等国际著名学者参会并做报告，参会人数达200+。