斷層探測:SoCal 研究人員運用 GPU 來探測地震可能造成的危害

作者 Tonie Hansen

在今夏的賣座強片《加州大地震》(San Andreas)裡,著名的「Hollywood」地標搖搖欲墜,地震引發的海嘯也猛烈衝擊著金門大橋,這些電影裡的情節,其實幕後推手是GPU。

在真實環境裡,南加州地震中心(SCEC)的研究人員使用搭載 GPU 的高性能運算技術開發出複雜的 CyberShake 運算模型,透過立體地球模型計算地震波的行動速度,有助於預測地震及更準確地評估地震可能造成的危害。

 在環球影業的 《加州大地震》一片裡,地震造成洛杉磯知名地標「Hollywood」倒塌。
在環球影業的 《加州大地震》一片裡,
地震造成洛杉磯知名地標「Hollywood」倒塌。

SCEC 一開始的目標是真實的洛杉磯地區,這裡是太平洋板塊和美洲板塊交會的地點,創造出著名的聖安德烈亞斯斷層,長度約與美國加州相當,並且橫跨加州及鄰近各州。

今年稍早這項極具突破性的研究成果,讓聖地牙哥超級電腦中心與包括 SCEC 在內的合作研究單位,共同榮獲 NVIDIA 首屆全球影響力大獎及15萬美元的獎金。

今年春天,這支研究團隊運用國家科學基金會與美國能源部的 Blue Waters 及 Titan 超級電腦,為南加州地區創造出迄今最為精密的地震危害分析預測內容。

地震波

他們為區域內336個不同地點進行模擬,將最大模擬頻率從0.5赫茲加倍調高到1赫茲。隨著測量強度增加,造成災害的可能性也上升,而模擬內容也變得更複雜。頻率在1和10赫茲之間的地震波對建築物和橋樑等結構有最大的破壞能力。

地震波所需的科學計算作業,對於電腦的運算能力來說是一大艱鉅的挑戰。頻率為1赫茲時,CyberShake 對各特定地點的計算作業量,是頻率為0.5赫茲時計算作業量的33倍。但在 GPU 優異的平行處理效率加持下,節點處理時間只增加了7倍。

座落於南加大校園裡的 SCEC 中心,主任為 Thomas H. Jordan。而加州大學聖地牙哥分校 SCEC 中心高性能地理運算實驗室主任崔一峰(Yifeng Cui)教授,則是他在研究方面的搭檔。

崔一峰教授說:「有愈來愈多民眾搬遷到地震活躍區域裡的城市,毀滅性大地震對經濟方面造成嚴重損失的風險也愈來愈高,與日俱增。GPU 的運算能力搭配高階 GPU 程式語言 CUDA,提供運算擁有龐大數字之 3D 模擬內容所需的能力。」

CyberShake Study 15.4 在洛杉磯盆地災害地圖裡,使用白色三角形標示出336個地點(左圖)。地圖顯示50年內 2% 機率預計的地震烈度,暖色代表會出現嚴重災害的地區。

CyberShake Study 15.4 在洛杉磯盆地災害地圖裡,使用白色三角形標示出336個地點(左圖)。地圖顯示50年內 2% 機率預計的地震烈度,暖色代表會出現嚴重災害的地區。

地圖上的災害資訊

SCEC 的研究目標是從美國地質勘探局提供的地震災害模擬內容裡,製作出更為精確的災害資訊地圖。而這些地圖也能協助地震學家、公用事業公司及工程師,負責訂定相關規定。

「社會大眾要求立即性(短期)的預測內容,只是目前還沒有足以提出預測內容的卓越科學技術,這不像是天氣預報,告訴你何時會下雨,你就知道得穿外套。」與崔一峰教授共同進行這項研究的SCEC 副主任 Philip Maechling 說道。

透過採用 GPU 的超級運算架構,就能更有效率、更快速地進行複雜的地震模擬運算作業。建築結構以不同方式回應多種頻率的地震波,長時間的震動讓摩天大樓和高速公路高架橋最有可能出現損壞,而高頻率的震動則會破壞小型建築物。

Maechling 說:「我們希望這些資訊能用在更多建築物上。」工程師可以將這些模型用在加州的其它地區和全球各地,日後就不會在戲院外面臨《加州大地震》電影所描述的毀滅性災難。

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