地震资料处理中FFT的网络并行计算

• 作 者: 刘劲
• 机 构: 中国地质大学(武汉)
• 出 处: 中国地质大学 中国地质大学(武汉)
• 发表日期: 2005年期
• 关键词: 地震资料处理 网络并行计算 PC机群 MPI编程 FFT并行程序

并行计算是一种通过增加算法的空间复杂度来减少算法的时间复杂度，从而提高计算速度的有效策略，其研究应用范围十分广泛，经过二十多年的研究与发展，并行计算现已牢固确立了它在高科技关键技术中的地位。在地震资料处理这一领域中，由于处理问题的规模日益增大，计算速度的要求更高，因此对并行计算的需求也日益迫切。
PC机群因其良好的性能价格比和扩展性，在高性能计算领域得到了快速的发展和广阔的应用。本文以曙光4000L为例讨论了PC机群的体系架构，并以应用广泛的FFT为例，通过实现其并行计算，讨论了PC机群下的MPI编程，最后对所编写的FFT并行程序进行并行效率的测试和分析，提出提高并行效率的方法。
通过本论文的研究得出了以下观点：
1.地震资料处理无论是从数据结构还是算法特性上来看都有很高的并行特性，具有极高性能价格比和良好扩充能力的PC-Cluster无疑是石油行业高性能计算的理想选择
2.FFT运算本身内含可并行成分，在PC-Cluster上实现FFT的并行计算，在大数据量计算情况下能够收到良好的效果。但并行FFT算法设计不是简单地串行FFT运算的推广，仅仅考虑计算功能的实现是不够的，还需要考虑到通信的设计等与并行环境相关的因素才能充分挖掘并行系统的计算能力。同时一维和二维并行FFT的设计思想也存在差异，必须根据问题的内在并行成分结合并行环境进行具体分析，这些正是并行程序设计与传统程序设计不同之处。
3.问题规模是影响并行效率的因素之一，应当根据求解问题的规模来选择合适的并行规模才能使求解速度最快，否则并行本身耗用的额外开销将抵消并行计算所节约的时间，造成实际求解速度下降。
4.在基于MPI的并行程序设计中，通信是一个必须考虑的问题，合理安排通信机制能带来效率上的显著提高。
5.PC-Cluster是结构在高速网络之上的体系结构，其并行计算的实现过程中存在大量的通信，从目前的情况和CPU技术与网络技术的发展速度来看，并行效率越来越受制于网络的速度。本论文主要讨论的，使用“计算通信重叠”等手段改善算法，是从“软”的方面来改善这一状况。而采用新的网络技术，提高网络带宽则是从“硬”的方面来改善，这是在今后的提高PC-Cluster并行效率工作中值得考虑的方向。