在今夏的卖座强片《加州大地震》(San Andreas)里,著名的「Hollywood」地标摇摇欲坠,地震引发的海啸也猛烈冲击着金门大桥,这些电影里的情节,其实幕后推手是GPU。

在真实环境里,南加州地震中心(SCEC)的研究人员使用搭载 GPU 的高性能运算技术开发出复杂的 CyberShake 运算模型,透过立体地球模型计算地震波的行动速度,有助于预测地震及更准确地评估地震可能造成的危害。

在环球影业的 《加州大地震》一片里,
地震造成洛杉矶知名地标「Hollywood」倒塌。

SCEC 一开始的目标是真实的洛杉矶地区,这里是太平洋板块和美洲板块交会的地点,创造出著名的圣安德烈亚斯断层,长度约与美国加州相当,并且横跨加州及邻近各州。

今年稍早这项极具突破性的研究成果,让圣地亚哥超级计算机中心与包括 SCEC 在内的合作研究单位,共同荣获 NVIDIA 首届全球影响力大奖及15万美元的奖金。

今年春天,这支研究团队运用国家科学基金会与美国能源部的 Blue Waters 及 Titan 超级计算机,为南加州地区创造出迄今最为精密的地震危害分析预测内容。

地震波

他们为区域内336个不同地点进行模拟,将最大模拟频率从0.5赫兹加倍调高到1赫兹。随着测量强度增加,造成灾害的可能性也上升,而模拟内容也变得更复杂。频率在1和10赫兹之间的地震波对建筑物和桥梁等结构有最大的破坏能力。

地震波所需的科学计算作业,对于计算机的运算能力来说是一大艰巨的挑战。频率为1赫兹时,CyberShake 对各特定地点的计算作业量,是频率为0.5赫兹时计算作业量的33倍。但在 GPU 优异的平行处理效率加持下,节点处理时间只增加了7倍。

座落于南加大校园里的 SCEC 中心,主任为 Thomas H. Jordan。而加州大学圣地亚哥分校 SCEC 中心高性能地理运算实验室主任崔一峰(Yifeng Cui)教授,则是他在研究方面的搭档。

崔一峰教授说:「有愈来愈多民众搬迁到地震活跃区域里的城市,毁灭性大地震对经济方面造成严重损失的风险也愈来愈高,与日俱增。GPU 的运算能力搭配高阶 GPU 程序语言 CUDA,提供运算拥有庞大数字之 3D 模拟内容所需的能力。」

CyberShake Study 15.4 在洛杉矶盆地灾害地图里,使用白色三角形标示出336个地点(左图)。地图显示50年内 2% 机率预计的地震烈度,暖色代表会出现严重灾害的地区。

 

地图上的灾害信息

SCEC 的研究目标是从美国地质勘探局提供的地震灾害模拟内容里,制作出更为精确的灾害信息地图。而这些地图也能协助地震学家、公用事业公司及工程师,负责订定相关规定。

「社会大众要求立即性(短期)的预测内容,只是目前还没有足以提出预测内容的卓越科学技术,这不象是天气预报,告诉你何时会下雨,你就知道得穿外套。」与崔一峰教授共同进行这项研究的SCEC 副主任 Philip Maechling 说道。

透过采用 GPU 的超级运算架构,就能更有效率、更快速地进行复杂的地震模拟运算作业。建筑结构以不同方式回应多种频率的地震波,长时间的震动让摩天大楼和高速公路高架桥最有可能出现损坏,而高频率的震动则会破坏小型建筑物。

Maechling 说:「我们希望这些信息能用在更多建筑物上。」工程师可以将这些模型用在加州的其它地区和全球各地,日后就不会在戏院外面临《加州大地震》电影所描述的毁灭性灾难。