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应用图形处理器提速地震叠前时间偏移的实现方法

李博*刘国峰刘洪

（中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029）

摘要新近发展的图形处理器（GraphicProcessingUnit:GPU）通用计算技术，现已日趋实用成型，
并获得诸多应用领域的广泛关注。对油气勘探的专项资料处理技术的运用而言，概因GPU与中
央处理器（CPU）的计算性能的甚大差异，致使GPU这一通用计算技术在石油工业中的应用研究
正在有效开展。本文仅借助于油气勘探中广泛使用的叠前时间偏移，旨在于扼要阐明其基于GPU
应用的有效性；文中还提出一种利用GPU实现地震叠前时间偏移的软件构件方法，并针对非对
称走时叠前时间偏移所拓展的应用软件提供一种具体实现架构。与以往用个人计算机（Personal
Computer：PC）机或者PC集群所用的叠前时间偏移相比，本文方法可甚大地提高计算效率，从
而在石油物探资料处理中可显著地节约计算成本和维护费用。文中实际例证也表明，基于GPU
进行高性能并行计算，当是适应目前石油工业中大规模计算需求的一个重要发展途径。

关键词非对称走时叠前时间偏移图形处理器GPU通用计算统一计算设备架

1引言2GPU计算的优势

近十年来，将单机计算快速地推进为基于GPU的通用计算（GPGPU：General
大规模的机群（PC-Cluster）并行计算，PurposeGPU）已可利用图形卡进行一般性
是一种业绩卓著的探索历程标志。从中我的计算，从而摆脱了以往仅能用于图像绘制
们也进而认识到，若仅单凭依靠增加计算的局限。GPU的浮点运算能力现已可达每秒
节点的数量和单个节点的计算能力，试图万亿次级别，即相当于X86处理器的数十倍。
借以提高计算能力的思路必将耗资甚巨。但是，GPU本身毕竟并非通用芯片，只能通
实践业已表明，在常规机群系统上进过图形应用程序接口（API）来进行3D渲染
行三维海量数据的叠前时间偏移，仍然是等专项作业，因而自身尚无法直接用以进行
甚费机时，从而在计算成果的产出时间与通用计算。GPU通用计算技术的出现，旨在
生产进度需求之间，时常产生严重脱节的于直接利用GPU的强大计算能力，用以完成
局面。提速通用的计算作业。其动力来自GPU自身
值得庆幸的是，在机群并行计算系统所具有的高度的并行性和高密集的运算优
飞速发展的同时，基于GPU的通用计算技势。相对于GPU而言，CPU则因主要针对复
术也日趋成型。以2001年NVIDIA公司推杂控制和低延迟环境而设计的，这就使得它
出可用以编程的GPU芯片为标志[1]，至今的运算单元个数偏少，且带宽也不足；而GPU
已发展为可内建960多个流处理器的高效本身就是一个单指令多数据流（SIMD）的流
计算芯片。随着GPU本身可编程性和灵活处理器，拥有众多的运算单元和强悍的外部

性的增强以及所呈现的强大的浮点处理能存储器带宽，因此具备了更加适用于高并行
力，目前利用GPU做通用计算已成为必然性和高密集度数值计算的巨大潜能。至此不

的发展趋势。难想象，GPU的这些优势所在，值得拓展并

CPS/SEGBeijing2009InternationalGeophysicalConference&Exposition

将之推广应用于油气工业。上的介质视为水平层状介质,此类走时难以
用简单的显函数表达，故在成像计算中不便
3叠前时间偏移的走时计算应用。若改由利用射线追踪的数值方法来计
算走时，则存在累计误差、稳定性以及计算
众所周知，实现叠前时间偏移的一个关效率低的问题。Taner&Koehler1969年根
键环节是计算地震波走时，所用算法大致可据均匀介质中的时距关系和函数逼近理论，
分三类，即直射线、弯曲射线以及非对称走推出水平层状介质中的时距关系表达的算
时计算。直射线走时算法的模型是均匀介法，已在生产实际中广泛应用，具体形式如
质。通常的弯曲射线走时计算是将成像点以下，即

m
222246k
TcRTcRcRcR==+++∑k+10234LL(1)
k=0

式中R222=+xy。上述两类走时计算都不以及拟微分算子的象征理论[8]，针对横向变
涉及介质速度横向变化的情况。刘洪于2007速介质得出走时计算表达中应包含有奇次
年基于冯康的保结构算法的思想，利用李群项[2-4]：

mi
22jij−
TT=+0,∑∑cxyji−j
ij==22
2223223
=+Tcxy02,0()(++cxcxycxycy3,02,11,20,3+++)(2)
4322134
+++()c4,0xcxyc3,12,2xy+cxy1,3+c0,4yLL

这样就形成一类非对称的走时的李代数积网络传输过程，由于每个线程都可以访问同
分算法，从而摆脱