基于OpenMP和OpenACC混合并行的电磁三维正反演

摘要

随着电磁勘探方法在资源勘查以及工程与环境领域的应用愈来愈广泛,对电磁方法解决地质问题的能力也要求愈来愈高.由于众所周知的地球电磁感应场的体积效应,在地表观测的电磁响应是以测站为中心一定半径的半球介质贡献的总和,该半径取决于电磁场的趋肤深度,即与电磁信号的频率和地球介质的电阻率相关.为了适应大尺度模型三维大地电磁资料反演的需要，开发了基于GPU高性能计算工作站并行计算的三维MT资料反演软件，进一步提高了反演的速度。在程序设计中，根据不同模块的数据结构和算法特点，结合CPU+GPU并行计算的特性，采用了图2所示的流程。对三维电磁响应正演计算部分，由于采用大型稀疏矩阵的存储与分解算法，计算密度不算最高，但要对数十个频率点进行完全重复的求解，所以考虑以函数模块为分集应用OpenMP编程在主机中实现多线程并行加速。而对于反演中的灵敏度计算，计算密度最高，是三维反演中最费时的部分。采用OpenACC编程实现在GPU上以数据分集的并行计算。通过混合应用OpenMP和OpenACC指令，分别在CPU和GPU上实现并行计算，充分发挥主机和设备的各自优势，编程实现简单，加速效果明显，使大尺度模型的三维电磁资料反演达到了实用化水平。通过一个实例进行加速测试，模型参数的个数为63×74×55=256410，观测数据的个数为298×20×4=23840；在配有16线程CPU和4块Tesla2050GPU卡的台式工作站上反演，三维正演通过CPU多线程加速6倍，在GPU上计算灵敏度矩阵获得了24倍的加速。