地震资料处理PC集群并行效率研究

【摘要】： 石油地震资料处理需要海量存储和巨量计算,一直是高性能计算的重要应用领域。基于Linux的集群计算机系统由于在性价比、可靠性和可扩展性方面的明显优势,已成为目前地震资料处理的主流平台。对地震资料处理PC集群的并行效率进行研究,可以充分利用现有的软硬件资源,提高地震资料处理集群的整体效能,提高地质效果和经济效益,具有重要的实际意义。 本文在分析地震资料处理系统的特点的基础上,找出了影响地震资料处理PC集群并行效率的关键因素,主要是I/O瓶颈问题和串行程序在并行环境中的低运行效率。为了解决上述问题,本文主要从并行文件系统和并行编程两方面开展研究工作。 本文首先利用普通PC机和MPI技术构建了一个PC集群,对其进行了LINPACK基准测试,分析了影响集群性能的几个关键因素并提出了相关建议。 为了解决地震资料处理集群中日益严重的I/O瓶颈问题,本文在研究并行文件系统理论的基础上,将Lustre并行文件系统部署到了实验集群中,利用iozone对NFS和Lustre进行了对比测试。结果表明,Lustre能够更好地适应并发I/O的要求,可有效缓解I/O瓶颈问题。为了提高Lustre的安全性,本文设计了一个基于PKI的Lustre安全模型。 在研究相关并行程序设计和开发理论的基础上,对地震资料处理软件中的核心算法快速傅里叶变换和矩阵乘法操作,利用MPI、OpenMP和CUDA等技术进行了并行化,并与相关串行程序在执行耗时方面进行了比较。测试结果表明,通过对计算密集型算法进行并行化,可以明显缩短程序运行周期。 将Lustre并行文件系统和并行编程技术应用到实际地震资料处理系统,通过对实际地震资料的处理测试表明,Lustre和并行编程技术可以显著缩短地震资料处理周期,提高程序运行效率。 此外,本文还研究了编译器、运行环境、数学库等因素对程序效率的影响,得到了一些有意义的结论,并对进一步提高并行效率提出了几点建议。