Том 8, №2, 2016
РусскийEnglish

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ



ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН СЕТОЧНО-ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

1Иванов А.М., 1Хохлов Н.И., 1,2Петров И.Б.


1Московский физико-технический институт, http://mipt.ru
г. Долгопрудный, 141701 Московская область, Российская Федерация
2Научно-исследовательский институт системных исследований, Российская академия наук, https://www.niisi.ru
117218 Москва, Российская Федерация
ip-e@mail.ru, k_h@inbox.ru, petrov@mipt.ru

Поступила в редакцию 25.11.2016


Аннотация. В работе рассматривается решение гиперболической системы уравнений сеточно-характеристическим методом применительно к задаче моделирования распространения сейсмических волн в твердых деформируемых телах. На примере этой задачи демонстрируется применение технологий параллельного программирования для систем с общей памятью с использованием технологий OpenMP и POSIX Threads. Для достижения максимальной производительности использовались векторные инструкции SSE и AVX на центральных процессорах. Также было произведено распараллеливание для графических процессоров при помощи технологий CUDA и OpenCL. На графических процессорах было рассмотрено распараллеливание на нескольких GPU, в том числе и с использованием технологии NVIDIA GPUDirect, позволяющей графическим процессорам осуществлять обмены данными напрямую без участия центрального процессора. Показаны достигнутое ускорение распараллеливания и процент от теоретически возможной производительности. В работе описываются произведенные оптимизации, которые позволили достигнуть полученных результатов ускорения.

Ключевые слова: математическое моделирование, параллельное программирование, сеточно-характеристический метод, общая память, сейсмика, векторизация, GPU, CUDA, OpenCL

УДК 519.633

Библиография – 20 ссылок

РЭНСИТ, 2016, 8(2):185-195 DOI: 10.17725/rensit.2016.08.185
ЛИТЕРАТУРА
  • Caserta A, Ruggiero V, Lanucara P. Numerical modelling of dynamical interaction between seismic radiation and near-surface geological structures: a parallel approach. Computers and geosciences, 2002, 28, 9:1069-1077.
  • Guo X, Lange M, Gorman G, Mitchell L, Weiland M. Developing a scalable hybrid MPI/OpenMP unstructured finite element model. Computers and Fluids, 2015, 110:227-234.
  • Micikevicius P. 3D finite difference computation on GPUs using CUDA. Proceedings of 2nd workshop on general purpose processing on graphics processing units. ACM, 2009:79-84.
  • Nickolls J, Buck I, Garland M, Skadron K. Scalable parallel programming with CUDA. Queue, 2008, 6, 2:40-53.
  • Abdelkhalek R, Calendra H, Coulaud O, Latu G, Roman J. Fast seismic modeling and reverse time migration on a GPU cluster. HPCS’09 Intern. Conf. on High Performance Computing and Simulation, IEEE, 2009:36-43.
  • Foltinek D, Eaton D, Mahovsky J, Moghaddam P, McGarry R. Industrial-scale reverse time migration on GPU hardware. 2009 SEG Annual Meeting. - Society of Exploration Geophysicists. 2009.
  • Bohlen T. Parallel 3-D viscoelastic finite difference seismic modelling. Computers and Geosciences, 2002, 28, 8:887-899.
  • Gropp W, Lusk E, Doss N, Skjellum A. A high-performance, portable implementation of the MPI message passing interface standard. Parallel computing, 1996, 22, 6:789-828.
  • Martin R, Komatitsch D, Blitz C, Le Goff N. Simulation of seismic wave propagation in an asteroid based upon an unstructured MPI spectral-element method: blocking and non-blocking communication strategies. Intern. Conf. on High Performance Computing for Computational Science. Springer, Berlin Heidelberg, 2008:350-363.
  • Rostrup S, De Sterck H. Parallel hyperbolic PDE simulation on clusters: Cell versus GPU. Computer Physics Communications, 2010, 181, 12:164-179.
  • Aochi H, Dupros F. MPI-OpenMP hybrid simulations using boundary integral equation and finite difference methods for earthquake dynamics and wave propagation: Application to the 2007 Niigata Chuetsu-Oki earthquake. Procedia Computer Science, 2011, 4:1496-1505.
  • Vanderbauwhede W, Benkrid K. High-performance computing using FPGAs. New York, Springer, 2013.
  • Krueger J, Donofrio D, Shalf J, Mohiyuddin M, Williams S, Oliker L, Pfreundt FJ. Hardware/software co-design for energy-efficient seismic modeling. Proceedings of 2011 Intern. Conf. for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. ACM, 2011, 73 p.
  • Petrov IB, Favorskaya AV, Sannikov AV, Kvasov IE. Grid-characteristic method using high-order interpolation on tetrahedral hierarchical meshes with a multiple time step. Mathematical Models and Computer Simulations, 2013, 5, 5:409-415.
  • Golubev VI, Petrov IB, Khokhlov NI. Numerical simulation of seismic activity by the grid-characteristic method. Computational Mathematics and Mathematical Physics, 2013, 53, 10:1523-1533.
  • Beklemysheva KA, Petrov IB, Favorskaya AV. Numerical simulation of processes in solid deformable media in the presence of dynamic contacts using the grid-characteristic method. Mathematical Models and Computer Simulations, 2014, 6, 3:294-304.
  • Butenhof DR. Programming with POSIX threads. Addison-Wesley Professional, 1997, 400 p.
  • Munshi A. The opencl specification. 2009 IEEE Hot Chips 21 Symposium (HCS). IEEE, 2009, 314 p.
  • LeVeque RJ. Finite volume methods for hyperbolic problems. Cambridge university press, 2002, 558 p.
  • Carcione JM, Herman GC, ten Kroode APE. Review Article: Seismic modeling. Geophysics, 2002, 67, 4:1304-1325.


Полнотекстовая электронная версия статьи – на вебсайтах http://elibrary.ru и http://rensit.ru/vypuski/article/190/8(2)185-195.pdf