Desenvolvimento de um núcleo aritmético híbrido em hardware reconfigurável para imageamento sísmico segundo o algoritmo RTM

Abstract

A computação de alto desempenho está presente em diversos setores do conhecimento humano. Ela busca atender a demanda por soluções para problemas em áreas como bioinformática, petroquímica, climatologia, dentre outros. Sabe-se que a grande maioria dessas áreas trabalha com quantidades massivas de dados, o que representa um desafio que a computação deve constantemente superar. Dentre algumas soluções atualmente adotadas, podemos citar os Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Esses dispositivos permitem explorar a computação paralela com menor consumo de energia quando comparados a Central Process Units (CPUs) e Graphic Process Units (GPUs). Além disso, os FPGAs permitem explorar o reuso de dados, o que possibilita o desenvolvimento de arquiteturas computacionais mais eficientes. Essas características fazem dos FPGAs uma opção atraente para se desenvolver soluções para problemas que possuem uma alta demanda por processamento, como em aplicações científicas. Essas aplicações normalmente fazem uso massivo de números em ponto flutuante. Em 1977 o Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) propõe a criação do padrão IEEE-754 para a implementação da aritmética de ponto flutuante em base binária. No entanto, o padrão só foi concluído e lançado mais tarde, em 1985. Esse padrão numérico permite ao mesmo tempo tanto uma grande precisão, quanto uma grande capacidade de representação. O padrão IEEE-754 passou a ser seguido pelos fabricantes de computadores e desenvolvedores de software no tratamento da aritmética binária computacional. A indústria petrolífera faz uso massivo da aritmética de ponto flutuante para o mapeamento e geração de imagem das camadas do subsolo para detecção de poços de hidrocarbonetos. Um dos métodos de imageamento sísmico que tem apresentando melhores resultados em áreas com litologias mais complexas, tais como no pré-sal, é o algoritmo Reverse Time Migration (RTM). Esse método faz uso de uma aproximação da equação de onda por meio dos operadores de diferenças finitas. Isso permite o mapeamento da variação dos campos de pressão e com isso se estimar as características litológicas das camadas em subsuperfície. Contudo, o custo do RTM é bastante elevado em termos computacionais. Por esse motivo, aplicações que otimizam desempenho ganham importância no cenário de mapeamento sísmico do subsolo realizado pelas indústrias petrolíferas. Esta dissertação aborda o desenvolvimento de um núcleo aritmético híbrido capaz de resolver a equação de diferenças finitas presentes no algoritmo de RTM, em FPGA. Foram desenvolvidos duas versões, uma totalmente em ponto flutuante padrão IEEE-754 e outra também com notação de ponto fixo para ganho de desempenho.