三维非平面断层破裂数值模拟的GPU实现

论文摘要

在地震动力学研究中,实际发生地震的断层往往不仅具有复杂的表面地形环境,断层本身的形状分布也非常复杂,没有有效的分析解法,一直以数值分析模拟地方式进行研究。三维非平面断层破裂模拟采用曲线有限差分方法,能够模拟复杂地形表面,倾斜、具有不规则几何形状的断层破裂过程,拓宽了有限差分方法所能适用的模型。但在继承了有限差分方法精度高、直观的优点的同时,也同时有有限差分方法计算密集,对计算资源要求较高的缺点。随着摩尔定律的失效,CPU(Central Process Unit)性能提升缓慢,而图像处理单元GPU(Graphics Process Unit)在单机游戏图像处理的市场需求下迅速发展,渲染像素的图像处理过程需要大规模并行计算,为满足这一需要,GPU在硬件设计即为大规模并行运算架构。近年英伟达公司发展的的CUDA编程模型,为将通用计算程序移植到GPU设备上提供了方便。使用GPU并行处理加速计算任务、缩短运算时间,迅速在学界和业界得到大规模应用,并成为新的超算基准。本文从介绍GPU异构编程和CUDA并行编程模型谈起,介绍了三维曲线有限差分方法在描述地震波波场传播和滑动弱化准则下断层自发破裂过程的理论基础。并结合两者利用CUDA并行编程模型进行程序设计,完整实现了三维非平面断层破裂模拟的曲线有限差分程序,即曲线坐标下地震波波场传播过程,地震断层自发破裂作为波场内边界条件与波场的耦合,牵引力镜像法实现地表自由表面的模拟,和CPML吸收边界条件。最后对比了本研究编写的GPU程序和三维非平面断层破裂数值模拟的CPU端多核心MPI程序在全空间均匀介质平面断层和带自由表面的倾向断层的模拟结果,在精度范围内两者具有很好的一致性。并应本用GPU程序带自由表面的粗糙断层的模拟上验证其对复杂断层模拟的普适性。在保证精确性和普适性的基础上,对比了GPU相对CPU在使用单精度浮点数模拟的加速效果,相比于1/4/12/24处理器最高分别获得413.6/181.7/76.6/30.7倍的加速效果。截至目前,本研究为使用GPU加速三维非平面断层破裂数值模拟的首次实现。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李孟阳

导师: 张振国

关键词: 数值模拟,有限差分,非平面断层,断层破裂动力学,计算地震学

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 数学,地质学,地球物理学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: P315;O241.3

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.004867

总页数: 72

文件大小: 6146K

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