基于OpenMP+SIMD的波动方程数值模拟并行方法#曹丹平*51015202530（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院,青岛266580）摘要：地震勘探中的大规模并行计算在科研与生产中发挥了重要的作用，但是大规模并行中基于MPI和GPU的并行方法对编程的要求较高。本文以多核处理器中的小规模并行计算为例，在多核微机处理器上将支持多线程并行的OpenMP方法与支持数据并行的SIMD指令相结合，针对二维波动方程在时间和空间方向上的循环嵌套特点同时实现了基于OpenMP+SIMD并行的波动方程数组模拟方法。模型测试表明在普通的双核笔记本电脑上采用OpenMP+SIMD的并行方法即可达到6倍的加速比，从而在常规多核处理器上实现了计算效率的有效提高，同时为进一步提高大规模并行计算的效率奠定了基础。关键词：波动方程；数值模拟；多核并行；单指令流多数据流中图分类号：P631.4ParallelcomputingofwaveequationnumericalmodellingbasedontheOpenMP+SIMDtechniqueCAODanping(SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao266580)Abstract:Thelargescaleparallelcomputingisveryimportantintheseismicexplorationindustryandscientificresearch,whichisaveryprofessionalskillfortheMPIandGPUprogramming.Thesmallscaleparallelcomputingproblemisconsideredinthispaper,twoparallelcomputingmethodsarecombinedtoimprovethecomputeefficiency.TheOpenMPmethodthatsupportthemultithreadparallelcomputingisusedtomanagethemulticoreresourcesoftheCPU,theSIMD(SingleInstruction,MultipleData)methodthatsupportthedataparallelcomputingisusedtocomputemoredatawithasingleCPUinstruction.OpenMPandSIMDarecombinedtogethertocomputethewaveequationparallel,thecyclecharacteristicsofwaveequationintimestepandspacestepareconsidered.ThemodeltestshowsthattheparallelcomputingmethodofOpenMP+SIMDimprovedthecomputeefficiencysignificantly,thespeedupofdualcoreprocessorisupto6,whichisveryimportanttoenhancethelargescaleparallelcomputing.Keywords:Waveequation;numericalmodelling;singleinstructionmultipledata;parallelcomputationmulticore35400引言开展波动方程数值模拟有助于准确认识和掌握油气勘探中的地震资料反射特征，同时正演模拟也是全波形反演和逆时偏移方法的重要组成部分，但是波动方程数值模拟存在耗时较大的问题，如何提高波动方程的正演模拟效率对于深入开展地震勘探的相关方法研究具有重要意义。由于计算量和数据量都比较大，地震资料正反演及资料处理都对计算效率提出了很高的挑战，目前工业界和学术界开展了大量基于集群的MPI并行[1]、MPI与OpenMP的混合并行[2]和CPU与GPU的协同并行[3]等工作，这些大规模的并行计算方法在工业应用中取得了巨大成功。大规模分布式的多节点多核并行工作方式的确能够有效提高计算效率，但是---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---基金项目：教育部博士点基金（No.20100133120001）；国家自然科学基金（No.41004050）作者简介：曹丹平（1978-），男，博士，副教授，目前主要从事石油地球物理勘探方面的教学与科研工作.caodp@upc.edu.cn-1----本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---基于MPI和GPU的并行方法对编程的要求相对较高。因此如何简单化的编写出能够有效执行的高度并行化程序不仅是并行计算发展的目标，也是开展数值模拟方法研究与应用的必然4550556065要求。高性能对计算机硬件的发展提出了较高的要求，受半导体工艺限制和出于功耗的考虑，大部分处理器厂商都采用多核处理器的策略来提高CPU性能，目前多核处理器已经在日常工作和生活中发挥着巨大的作用，值得一提的是Intel在2006年就展示了其80核的万亿次处理器原型[4]。然而光有多核处理器并不能直接获得高性能的计算速度，对于采用多核的CPU来说其单个内核的主频通常比主流的单核CPU主频要低，通常编写的串行程序只能发挥了一个内核的作用，因此反而会导致同样的程序在多核...