A deep understanding of earthquake physics requires a large amount of numerical simulations on seismic wave propagation and dynamic rupture. However, the corresponding intensive computational expense of simulations at traditional CPU (central processing unit) platforms make related researches time-consuming. There are many mature graphics processing unit (GPU) programs that can dramatically accelerate the calculation of seismic wave propagation. Unfortunately, there are few discussions about GPU implementations for rupture dynamics. In this work, we extend our 3-D curved-grid finite-difference method (CG-FDM) for rupture dynamics to the GPU platform using the CUDA (compute unified device architecture) programming language. By taking advantage of the new features of the NVIDIA Volta architecture, we implement the GPU-based program for rupture dynamics that is not only efficient but also easy to maintain. The GPU-based CG-FDM program is two orders of magnitude faster than our previous serial CPU-based program and still has a considerable advantage compared with the parallel one. The reliability and correctness of the program are carefully examined by the comparisons of the benchmarks from the ‘Southern California Earthquake Center/U.S. Geological Survey (SCEC/USGS) Dynamic Earthquake Rupture Code Verification Exercise’. The performance improvements of the GPU-based CG-FDM can save a lot of computing time, allowing researchers to perform much more numerical simulations of rupture dynamics to reveal more details of earthquake physics.

中文翻译：

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非平面破裂动力学的曲线网格有限差分建模的GPU实现

对地震物理学的深刻理解要求对地震波传播和动态破裂进行大量的数值模拟。但是，在传统的CPU（中央处理单元）平台上进行相应的大量模拟计算会导致相关研究耗时。有许多成熟的图形处理单元（GPU）程序可以大大加快地震波传播的计算速度。不幸的是，关于用于破裂动态的GPU实现的讨论很少。在这项工作中，我们使用CUDA（计算统一设备架构）编程语言将用于断裂动力学的3-D弯曲网格有限差分方法（CG-FDM）扩展到了GPU平台。利用NVIDIA Volta架构的新功能，我们实现了基于GPU的破裂动态程序，不仅高效而且易于维护。基于GPU的CG-FDM程序比我们以前的基于串行CPU的程序快两个数量级，并且与并行程序相比仍具有相当大的优势。通过比较“南加州地震中心/美国地质调查局（SCEC / USGS）动态地震破裂代码验证演习”中的基准，仔细检查了该程序的可靠性和正确性。基于GPU的CG-FDM的性能改进可以节省大量计算时间，使研究人员可以进行更多的破裂动力学数值模拟，以揭示地震物理的更多细节。基于GPU的CG-FDM程序比我们以前的基于串行CPU的程序快两个数量级，并且与并行程序相比仍具有相当大的优势。通过比较“南加州地震中心/美国地质调查局（SCEC / USGS）动态地震破裂代码验证演习”中的基准，仔细检查了该程序的可靠性和正确性。基于GPU的CG-FDM的性能改进可以节省大量计算时间，使研究人员可以进行更多的破裂动力学数值模拟，以揭示地震物理的更多细节。基于GPU的CG-FDM程序比我们以前的基于串行CPU的程序快两个数量级，并且与并行程序相比仍具有相当大的优势。通过比较“南加州地震中心/美国地质调查局（SCEC / USGS）动态地震破裂代码验证演习”中的基准，仔细检查了该程序的可靠性和正确性。基于GPU的CG-FDM的性能改进可以节省大量计算时间，使研究人员可以进行更多的破裂动力学数值模拟，以揭示地震物理的更多细节。通过比较“南加州地震中心/美国地质调查局（SCEC / USGS）动态地震破裂代码验证演习”中的基准，仔细检查了该程序的可靠性和正确性。基于GPU的CG-FDM的性能改进可以节省大量计算时间，使研究人员可以进行更多的破裂动力学数值模拟，以揭示地震物理的更多细节。通过比较“南加州地震中心/美国地质调查局（SCEC / USGS）动态地震破裂代码验证演习”中的基准，仔细检查了该程序的可靠性和正确性。基于GPU的CG-FDM的性能改进可以节省大量计算时间，使研究人员可以进行更多的破裂动力学数值模拟，以揭示地震物理的更多细节。