全波形反演算法性能预测和通信及归并优化方法研究

摘要

全波形反演理论和技术具有高精度、高分辨率、多参数建模等特点，可以满足地球物理勘探高精度成像的要求，在地球物理勘探领域有着越来越关键的作用。一直以来，该领域是高性能计算的重要应用之一，但是受计算、通信、I/O等因素的影响，目前全波形反演算法在集群上的计算耗时仍然很长，因此存在着很大的优化需求。　　本文主要研究了全波形反演算法在高性能计算方面的优化，面临的问题和优化的方法包括以下部分：　　(1)提出了一种快速评估大规模并行集群上全波形反演算法运行性能的方法。全波形反演算法无论是完全迭代结束还是单次迭代结束，都需要消耗较长的时间。如果在集群上直接运行该算法来判断其运行瓶颈并进行优化，或在实际应用时寻找最优条件来部署生产，效率都是低下的。本文分析了迭代耗时更短的正演算法和全波形反演算法在理论上的紧密联系，提出了可以通过正演算法来推测全波形反演算法在相同条件下的性能表现。并通过多次的实验，验证了该方法的准确性和高效性。　　(2)提出了通过MPI单边通信来优化全波形反演算法的通信效率。数据传输的通信效率，是全波形反演算法运行效率的关键因素之一。本文提出了采用MPI单边通信模式，来替换传统的点对点通信模式，以达到通信效率优化的目的。通过在不同集群上，对采用单边通信模式的全波形反演算法进行多次实验，验证了采用单边通信模式的全波形反演算法有一定的优化效果。　　(3)提出了通过并行归并和通信归并策略来优化全波形反演算法的归并效率。在某些计算步骤完成后，主进程对所有进程的计算结果进行归并。通过分析和实验发现传统的I/O归并方式较为低效，可能会成为全波形反演算法在扩展运行时的主要瓶颈。本文采用并行归并和通信归并方法，来提高原有的归并效率。实验结果表明，并行归并和通信归并方法都有一定的优化效果，且通信归并方法解决了归并过程是算法的运行瓶颈问题。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外发展现状

1.2.1国内发展现状

1.2.2国外发展现状

1.3全波形反演算法面临的主要挑战

1.4本文主要工作

1.5本文组织结构

第2章 全波形反演并行化相关技术

2.1 消息传递接口

2.1.1 消息传递接口主要发展历程

2.1.2 消息传递接口标准的实现

2.2 单边通信

2.2.1 单边通信与双边通信的区别

2.2.2 单边通信的相关理论

2.3 全波形反演的并行化方法

2.3.1 采用空间区域三维划分方式并行

2.3.2 并行化实现的流程

2.4 本章小结

第3章 集群上快速判断算法性能的方法

3.1 基于有限差分法的正演过程

3.2 全波形反演和正演的联系

3.3 实验

3.3.1 曙光E级原型机实验

3.3.2 天河二号实验

3.4 本章小结

第4章 基于单边通信优化算法

4.1 全波形反演算法的原始通信情况

4.2 单边通信基准测试

4.3 采用单边通信对算法优化的实现

4.3.1 判断需要优化的通信点

4.3.2 通信初始化

4.3.3 数据通信交换

4.3.4 进程间同步

4.4 实验

4.5本章小结

第5章 全波形反演算法归并过程优化

5.1 算法的原有归并过程及效率

5.2 并行归并和通信归并过程

5.2.1 并行归并过程

5.2.2 通信归并地震数据过程

5.2.3 通信归并模型、梯度等数据过程

5.3 实验

5.4 本章小结

结论

1、论文工作总结

2、进一步工作展望

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的学术论文与获得的成果

附录B 攻读学位期间参加的科研项目

致谢