三维地震动场数值模拟并行计算系统_图文

1、第卷第期年月地震工程与工程振动，揪文章编号：（）一三维地震动场数值模拟并行计算系统丁海平，刘启方，黄勇，金星（中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨；南京业大学，江苏南京）摘要：并行计算系统是进行三维复杂场地地震动场数值模拟的基础。本文作者利用台微机构建了一套并行计算集群（常称为系统），节点微机上运行操作系统，采用标准的版本作为并行计算的支撑环境，并以高速变换式以太网作为互连网络。利用编制的并行计算程序对该并行计算系统性能进行了测试。结果表明：该系统能够达到非常高的并行加速比和并行效率。该系统将用于三维地震动场数值模拟研究。关键词：三维地震动场；数值模拟；并行计算系统中图分类号：文献标识码：一

2、，一，一，“（加晒谢蚰，哦吐岫加“耐盯，畸？，）：“。，啪“（）。【“出。岫一：“；“；引言近十年发生的一些大地震，如年日本地震和年台湾地震等，造成了很大的人员伤亡和财产损失。许多国家开始投入巨资进行地震发生的数值模拟、地震动在三维粘弹性各向异性介质中传播、断层破裂发展和断层之问相互作用等问题的研究。这些问题的一个共同特点是计算量大，普通微机无法满足要求，因此需要一个高效的、能够进行大规模计算的并行计算系统。由于大型机、巨型机价格昂贵，不能得到普遍应用。年和在（肿）用个节点和以太网（）组成了一个“计算集群”（“）系统，并将这个系统命名为集群。集群提供了一种使用（）硬件构造集群系统以满足特殊的计

3、算需求的方法。这里的是指象收稿日期：一；修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；昆明市科技发展基金项目；中国地震局“十五”重点科研项目作者简介：丁海平（一）男，研究员，博士，主要从事地震工程研究地震工程与工程振动卷和以太网这种广为应用的标准设备。由于它们通常可由多家厂商提供，所以通常有很高的性价比。集群这种方法很快从传遍了整个科研机构和社刚。近年来，于单个微机运算速度得到大幅度提高，价格又相对便宜，同时以太网等局域网技术的成熟和硬件成本降低，国内许多科研机构也构建了小同研究领域的系统“。然而，迄今为止，系统还没有被应用于国内地震程领域，这大大影响了该领域的某些研究工作，如三维地震动场数值

4、模拟。特别是，我国“十五”期间在许多大城市开展了活断层探测丁作，如果确定有活断层，在模拟由断层产生的地表破坏、地震动的火小和分布等工作中，需要进行大数据量的汁算，而并行计算系统是必不可少的。本文将介绍一套由笔者所在的科研小组自行构建的并行计算系统（图），以供参考，并希望同行关注这一类工作，从而能够发展并行计算系统在地震工程领域中的应用。 图】并行系统并行系统的硬件和软件构造为了简化系统的管理以及方便并行编程时计算任务的分割，作为并行系统节点的每台微机应一般具有完全相同的硬件和软件配置。我们构建的系统由台普通微机组成，每台微机装上自适应网卡，主要硬件配置为主板、内存，它们由高速交换式以太网相连接

5、。选用了一台端口（即最多可连接台普通微机）的交换机，构建成高速以太网。目前，系统中的微机操作系统绝大部分选用扭、“或¨微机操作系统，它们都具有很强的网络支持功能。其中操作系统最适合被系统作为操作系统。但由于更被用户熟悉，支持软件的种类和数量也远多于其它操作系统，我们在每台微机上也是安装操作系统。在系统中，运行在不同的上的任务之间需要进行通信，即需有一个消息传递系统，把它作为系统的并行运算管理和并行程序开发平台。近年来，消息传递语言已经迅速地流行起来，有的已成为了标准。在众多的并行程序库中，应用最广泛的有消息传递软件环境（髂沁如）标准和（试并行虚拟机）。是国家实验室和大学在年开发出来的

6、，可以把多个异构计算机通过网络互连在一起构成虚拟并行计算机系统。它已经成为一个被广泛使用的并行虚拟机工业标准。是并行计算机的消息传递界面的简称。为了统一互不兼容的消息传递用户界面，年国际上成立了委员会，负责制定消息传递界面的新标准，支持最佳可移植传递平台。的标准化从年月开始，年月分布了定义及第一个版本，分布了第二个版本一。是目前国际上最流行的并行编程环境之一，具有很好的可移植性和易用性，尤其是对于分布式存储的可缩放并行机期丁海平等：三维地震动场数值模拟并行计算系统和工作站机群并行系统，可称为是种并行编程环境范例。其中是一种最莺要的实现它可以免费从网上取得。我们采用了版本作为并行计算的支撑环境。

7、系统的并行性能测试衡量并行系统性能技术指标有许多”，面主要介绍两种：并行加速比和并行效率。（）加速比只邑（）其中，为并行系统中的节点数（即处理器个数，通常也就是计算机个数），。表示在单台计算机上的串行耗时，是个节点并行求解的耗时。邑定义为解同一个问题的单机计算时间与并行机所需总时间之比，通常用来度量算法的并行性对计算时间的减少程度，或者说度量算法用多少个处理器使计算速度提高的加速倍数。假设不考虑通信等耗时，在最理想的情况下，则有尸（）即理想的加速比为，称为线性加速比。由于并行算法总有一些额外通信等耗时，一般毛，当处理机数增加时，加速比可提高，但也可能使处理机的利用率降低（如通讯时间增多），因此

8、。还不能全面评价一个并行系统的性能。（）并行效率（）并行效率可以度量并行算法对处理器的利用率，并且可以补偿，评价标准的不足，和，是一对互补指标。我们用一个全空间三维波源问题的有限元并行计算例子来测试该系统的并行计算性能。计算方法采用廖振鹏等”提出的显式有限元结合透射人工边界的数值模拟技术。计算模型如图所示。输入一点源脉冲荷载，假定有限元网格尺寸为，计算区域取，层，则有限元计算网格数量为××，取计算步数为。测试结果见表和图、图。图全空间三维波源问题计算模型示意图（六个面采用透射人工边界条件）表并行系统测试结果地震工程与工程振动卷羹韭罗善翼菲图出并行系统的加速比测试结果小结瓣麒

9、姑寐微机数量，台图系统的并行效率测试结果从测试结果可以看出，当节点微机数较少时，并行效率几乎等于。当节点微机数增加时，并行效率有所下降，这几乎是所有并行系统的共同规律。对台微机并行计算，加速比达到，并行效率达到了，仍表现出了很高加速比和并行效率，说明我们构建的并行系统是成功的，可用于进行三维地震动场的数值模拟。这方面的工作，国外从事地震工程领域研究的同行已经走在前面，特别是美国和日本，利用并行计算技术对日本地震、美国地震、台湾地震等诸多地震进行了大量三维地震动场数值模拟研究”。我们课题小组正在利用这些技术进行大型盆地地震效应近断层地震动及地表破裂等研究，有关结果将另文发表。参考文献：浆康保，陶文正许丽华等用机群组构并行超级计算机计算机工程，（）：一胡亮，刘淑芬，鞠九滨用于并行计箅的机群小型微型什算机系统，（）：一许宏蔡瑞英集群技术与并行计算【南京化工大学学报（）：陈星黄膏玛构建基于和的州并行计算系统计算机工程与应用，（）：都志辉高性能计算并行编程技术并行程序设计北