Aceleração dos algoritmos de modelagem acústica e elástica e da inversão do campo de onda completo (FWI) em GPU utilizando OpenACC

Abstract

O método sísmico é amplamente utilizado na exploração de óleo e gás. Utilizando técnicas de processamento e tomografia, consegue-se gerar modelos de velocidade capazes de gerar boas imagens de subsuperfície. Com a expansão das fronteiras exploratórias, necessita-se de modelos com maior resolução para imagear zonas de geologia complexa. A inversão FWI é uma técnica que consegue gerar modelos de alta resolução, sendo atualmente amplamente empregada na etapa de imageamento sísmico. Por ser um método iterativo, a solução depende da qualidade do modelo inicial e da convergência do método de otimização. A inversão FWI é uma técnica que exige alto tempo de computação e memória, em meio a este contexto, o trabalho desenvolve estratégias para otimizar o tempo computacional utilizando placas gráficas (GPUs). Devido à alta complexidade que as interfaces de paralelização podem oferecer, optou-se por utilizar o OpenACC, um modelo de programação baseado em diretivas para paralelizar as regiões mais custosas nos códigos de modelagem e inversão. Logo, são paralelizados os códigos de modelagens acústica, elástica e da inversão FWI. Os resultados são gerados utilizando os modelos de Marmousi e o modelo de Búzios. Estes mostram ganho de performance considerável, dando liberdade de se utilizar altas ordens de diferença finita sem perda de tempo de máquina. Também é mostrado que há ganhos de performance de até 37x para a quarta ordem no caso elástico. Os tempos de execução na geração dos dados sintéticos observados e da inversão FWI utilizando a GPU são medidos e comparados com as demais configurações, com estes valores sendo consideravelmente menores que os valores estimados utilizando arquiteturas em CPU. A inversão FWI foi capaz de recuperar feições geológicas que não eram visíveis no modelo inicial para o modelo de Marmousi, aumentando a resolução do modelo final. Para o modelo de Búzios, bons resultados são mostrados. Mesmo com o algoritmo de inversão não convergindo como no modelo de Marmousi, o modelo de velocidade recuperado mostra a maioria das feições complexas presentes no modelo real. As imagens finais migradas também de ambos os modelos mostram um melhor imageamento das estruturas geológicas, apresentando horizontes sísmicos mais contínuos e uma maior definição e detalhe destas estruturas em ambos os modelos.