Ускорение расчетов распространения волны цунами с использованием FPGA

В данной статье рассматривается решение задачи быстрой численной оценки высоты волн цунами от гипотетического очага вдоль тихоокеанского побережья полуострова Камчатка и Курильских островов. Мы фокусируемся на очень быстром (практически в режиме поступления данных) численном моделировании распространения волны цунами на основе ПК в соответствии с классическим приближением теории мелкой воды. Существенный прирост производительности достигается за счет использования преимуществ современных компьютерных архитектур, а именно вентильных матриц, программируемых пользователем (Field Programmable Gate Array — FPGA). Разностная схема Мак-Кормака второго порядка аппроксимации для решения системы дифференциальных уравнений мелкой воды [1] реализована на чипе FPGA в составе платы, специально разработанной авторами для решения этой задачи [2, 3].
Численные тесты показывают, что для расчета 3600 шагов по времени распространения волны цунами в расчетной области размером приблизительно 2000х2000 км (3120х2400 расчетных узлов) требуется всего несколько секунд для моделирования цунами от модельного источника волны цунами на сетке с пространственным шагом около 900 м. Созданный на базе FPGA спецвычислитель был также протестирован по точности сравнением с аналитическими решениями, полученными Ан. Марчуком [4, 5] для некоторых модельных топографий дна.