CPU-GPU地震资料处理平台计算优化策略的研究
本文关键词：CPU-GPU地震资料处理平台计算优化策略的研究，，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：地震资料处理是油气勘探中承上启下的关键环节,也是高性能计算的重要应用领域,随着勘探的精细化,又对系统的计算能力提出了更高的要求。CPU-GPU异构计算系统在成本、性能方面有着显著优势,能较好的满足地震资料处理的需求,逐渐被人们关注。但与成熟的CPU环境相比,GPU在编程模型、优化方法上仍存在不足,这也给开发人员对其高效利用带来一定困难。本文围绕优化CPU-GPU异构计算平台上的地震资料处理展开以下四个方面的研究。首先对地震资料处理中最耗时的偏移计算进行GPU并行化,在此基础上又提出利用CPU和GPU共同处理偏移计算的策略,充分挖掘系统的计算能力。通过测试验证了策略的有效性,探讨了可能影响处理效率的若干因素。对于CUDA没有明确高效的GPU全局同步机制,每次需要借助内核重启的问题。在现有体系结构下,利用CUDA提供的GPU块内同步机制,设计并实现了两种无需内核重启的GPU全局同步策略。并使用地震资料处理中广泛采用的快速傅立叶变换对其进行测试,结果表明显著优于现有GPU全局同步方法。对于条件分支导致GPU执行效率下降的问题。利用现有硬件,在软件层面提出两种基于聚合思想的条件分支优化策略,从压缩GPU有效SIMD操作次数的角度进行优化。测试结果表明,在满足使用条件的前提下取得了预想中的加速比。最后将上述优化策略应用到实际地震资料处理中进行测试。结果表明,偏移处理的GPU并行化以及CPU-GPU共同处理偏移计算取得了显著的加速效果,GPU全局同步策略进一步缩短了处理时间,GPU条件分支优化对加速的贡献较小。本文工作显著提高了地震资料处理效率,缩短了处理工期,在实际生产中具有较大的经济意义。
【关键词】：地震资料处理 异构计算 CUDA CPU-GPU共同计算 GPU全局同步 GPU分支优化
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP38
【目录】：
- 摘要4-5
- abstract5-10
- 第一章 绪论10-17
- 1.1 课题的背景及意义10-13
- 1.1.1 CPU-GPU异构计算系统10-12
- 1.1.2 地震资料处理与高性能计算12-13
- 1.2 研究现状13-15
- 1.2.1 CPU-GPU异构计算技术现状13-14
- 1.2.2 基于CPU-GPU异构计算平台的地震资料处理14-15
- 1.3 课题的主要研究内容15
- 1.4 章节安排15-17
- 第二章 CPU-GPU异构计算与地震资料处理17-33
- 2.1 常见CPU-GPU异构计算系统结构17-21
- 2.1.1 CPU-GPU18-19
- 2.1.2 Cell BEA19-20
- 2.1.3 AMD Fusion APU20
- 2.1.4 Intel MIC20-21
- 2.2 统一计算设备架构CUDA体系结构21-25
- 2.2.1 硬件体系22
- 2.2.2 编程模式22-23
- 2.2.3 存储器模型23-24
- 2.2.4 软件体系24-25
- 2.3 CUDA程序常规优化方法25-28
- 2.3.1 访存方面的优化26-27
- 2.3.2 通信方面的优化27-28
- 2.3.3 指令方面的优化28
- 2.4 地震资料处理及偏移简介28-31
- 2.4.1 地震资料处理流程28-29
- 2.4.2 地震资料偏移简介29-31
- 2.5 仍面临的挑战31-32
- 2.5.1 GPU利用和优化31
- 2.5.2 CPU-GPU共同计算31-32
- 2.6 本章小结32-33
- 第三章 基于CPU-GPU共同计算的地震偏移及优化研究33-47
- 3.1 偏移算法原理分析33-35
- 3.2 地震资料偏移的GPU并行化35-38
- 3.2.1 并行化方法35-36
- 3.2.2 方法实现及进一步分析36-38
- 3.3 CPU-GPU共同处理偏移计算38-41
- 3.3.1 CPU多线程内核绑定39
- 3.3.2 任务分配39-41
- 3.3.3 成果合并41
- 3.4 测试及结果分析41-45
- 3.4.1 测试环境及测试数据41-42
- 3.4.2 偏移的GPU并行算法测试及分析42-43
- 3.4.3 CPU-GPU共同处理偏移计算的测试及分析43-45
- 3.4.4 综合比较45
- 3.5 本章小结45-47
- 第四章 GPU全局同步优化策略的研究47-59
- 4.1 GPU同步方法剖析47-49
- 4.1.1 GPU线程块内同步48
- 4.1.2 利用内核函数重启实现全局同步48-49
- 4.2 基于互斥变量的GPU全局同步思路与实现49-52
- 4.2.1 基本思路49-50
- 4.2.2 进一步分析50
- 4.2.3 策略实现50-52
- 4.3 基于数组的GPU全局同步思路与实现52-54
- 4.3.1 基本思路52-53
- 4.3.2 进一步分析53-54
- 4.3.3 策略实现54
- 4.4 测试及结果分析54-58
- 4.4.1 微基准测试54-56
- 4.4.2 实际的FFT测试56-58
- 4.5 本章小结58-59
- 第五章 GPU条件分支分歧聚合优化策略的研究59-70
- 5.1 GPU条件分支分歧简介与策略提出59-61
- 5.1.1 GPU处理条件分支的机制59-60
- 5.1.2 条件分支对计算性能的影响60
- 5.1.3 聚合优化策略的提出60-61
- 5.2 基于循环推迟的聚合优化策略61-64
- 5.2.1 策略设计与分析61-63
- 5.2.2 策略实现63-64
- 5.3 基于循环提前的聚合优化策略64-67
- 5.3.1 策略设计与分析64-66
- 5.3.2 策略实现66-67
- 5.4 测试及结果分析67-69
- 5.4.1 基于循环推迟的聚合优化策略的测试67-68
- 5.4.2 基于循环提前的聚合优化策略的测试68-69
- 5.4.3 综合比较69
- 5.5 本章小结69-70
- 第六章 实际地震资料处理测试70-77
- 6.1 测试环境70-73
- 6.1.1 系统拓扑71
- 6.1.2 系统配置71-73
- 6.1.3 编程方法73
- 6.2 实际地震资料处理测试及结果分析73-76
- 6.2.1 测试数据73-74
- 6.2.2 测试方法及策略应用74
- 6.2.3 结果分析74-76
- 6.3 本章小结76-77
- 总结77-78
- 参考文献78-84
- 攻读硕士学位期间取得的学术成果84-85
- 致谢85
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