{tt simwave} -- A Finite Difference Simulator for Acoustic Waves Propagation

📝 Abstract

${\tt simwave}$ is an open-source Python package to perform wave simulations in 2D or 3D domains. It solves the constant and variable density acoustic wave equation with the finite difference method and has support for domain truncation techniques, several boundary conditions, and the modeling of sources and receivers given a user-defined acquisition geometry. The architecture of ${\tt simwave}$ is designed for applications with geophysical exploration in mind. Its Python front-end enables straightforward integration with many existing Python scientific libraries for the composition of more complex workflows and applications (e.g., migration and inversion problems). The back-end is implemented in C enabling performance portability across a range of computing hardware and compilers including both CPUs and GPUs.

💡 Analysis

${\tt simwave}$ is an open-source Python package to perform wave simulations in 2D or 3D domains. It solves the constant and variable density acoustic wave equation with the finite difference method and has support for domain truncation techniques, several boundary conditions, and the modeling of sources and receivers given a user-defined acquisition geometry. The architecture of ${\tt simwave}$ is designed for applications with geophysical exploration in mind. Its Python front-end enables straightforward integration with many existing Python scientific libraries for the composition of more complex workflows and applications (e.g., migration and inversion problems). The back-end is implemented in C enabling performance portability across a range of computing hardware and compilers including both CPUs and GPUs.

📄 Content

simwave는 2차원 혹은 3차원 물리적 영역에서 파동 전파를 정밀하게 시뮬레이션할 수 있도록 설계된 오픈‑소스 파이썬 패키지입니다. 이 패키지는 유한 차분법(Finite‑Difference Method) 을 기반으로 하여, 밀도가 일정한 경우(constant‑density) 와 밀도가 공간에 따라 변하는 경우(variable‑density) 두 종류의 음향 파동 방정식(Acoustic Wave Equation) 을 수치적으로 풀어냅니다.

시뮬레이션 과정에서 영역 절단(Truncation) 기법을 적용할 수 있어, 무한히 넓은 물리적 공간을 인위적인 경계 안으로 제한하면서도 인위적인 반사파가 발생하지 않도록 처리할 수 있습니다. 또한 다양한 경계 조건(Boundary Conditions)—예를 들어 완전 흡수 경계, 반사 경계, 주기적 경계 등—을 선택적으로 적용할 수 있어, 실제 지구 물리 현상을 보다 현실적으로 모델링할 수 있습니다.

특히 소스(Source)와 수신기(Receiver)의 모델링에 있어서도 사용자가 직접 정의한 획득 기하학(Acquisition Geometry) 을 그대로 반영합니다. 즉, 지표면 위에 배치된 지진계열, 해저에 설치된 수중 마이크, 혹은 인공적으로 설계된 실험 장치 등 다양한 형태의 관측 장비 배치를 파라미터로 입력하면, 해당 배치에 맞추어 파동의 발생과 기록 과정을 자동으로 시뮬레이션해 줍니다.

simwave의 전체적인 설계 철학은 지구물리 탐사(Geophysical Exploration) 를 핵심 응용 분야로 두고 있다는 점에 있습니다. 지진 탐사, 탄성 파동 탐사, 전자기 탐사 등 복잡한 지구 내부 구조를 추정하기 위한 다양한 역문제(inversion)와 전이(migration) 작업에 바로 활용할 수 있도록, 파이썬 기반의 프론트엔드(Front‑End) 와 C 기반의 백엔드(Back‑End) 로 구성된 이중 구조를 채택했습니다.

파이썬 프론트엔드는 NumPy, SciPy, xarray, dask 등 기존에 널리 사용되고 있는 파이썬 과학 컴퓨팅 라이브러리와 자연스럽게 연동됩니다. 따라서 사용자는 simwave 로부터 얻은 파동 필드 데이터나 시뮬레이션 결과를 바로 pandas 데이터프레임으로 변환하거나, matplotlib·seaborn·plotly 와 같은 시각화 도구를 이용해 그래프와 영상으로 시각화할 수 있습니다. 또한 TensorFlow·PyTorch 와 같은 딥러닝 프레임워크와 결합하여, 파동 데이터를 입력으로 하는 머신러닝 기반 역문제 해결 파이프라인을 손쉽게 구축할 수 있습니다.

백엔드는 C 언어 로 구현되어 있어, CPU 와 GPU 양쪽 모두에서 높은 연산 효율을 발휘합니다. OpenMP, MPI, CUDA, HIP 등 다양한 병렬 프로그래밍 모델을 지원하도록 설계되었으며, 이를 통해 멀티코어 프로세서, 클러스터형 슈퍼컴퓨터, 최신 그래픽 카드 등 다양한 하드웨어 환경에서 성능 이식성(Performance Portability) 을 보장합니다. 컴파일러 역시 GCC, Clang, Intel C Compiler, NVIDIA NVCC 등 여러 종류를 사용할 수 있어, 사용자가 선호하는 개발 환경에 맞게 최적화된 바이너리를 생성할 수 있습니다.

요약하면, simwave 는

1. 2D·3D 파동 시뮬레이션 을 위한 완전한 수치 해석 엔진,
2. 고정·변동 밀도 음향 파동 방정식 을 유한 차분법으로 해결,
3. 영역 절단, 다양한 경계 조건 을 통한 물리적 경계 처리,
4. 사용자 정의 획득 기하학 에 기반한 소스·수신기 모델링,
5. 지구물리 탐사 를 염두에 둔 모듈화된 아키텍처,
6. 파이썬 과학 라이브러리와의 원활한 통합 으로 복합 워크플로우 구현,
7. C 기반 백엔드 로 CPU·GPU 양쪽에서 높은 성능과 이식성 제공

이라는 일곱 가지 핵심 특징을 갖추고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 연구자와 엔지니어는 simwave 를 이용해 지진파 전파, 해양 음향 탐사, 지하 구조물 탐지 등 복잡한 물리 현상을 손쉽게 모델링하고, 그 결과를 바탕으로 전이(migration), 역전파(inversion), 데이터 동화(data assimilation) 등 고급 지구물리 처리 작업을 효율적으로 수행할 수 있습니다.

따라서 simwave 는 파이썬 기반의 친숙한 인터페이스와 C 기반의 고성능 계산 엔진을 동시에 제공함으로써, 초보자부터 고급 사용자까지 모두가 자신의 연구 목적에 맞는 파동 시뮬레이션을 손쉽게 구현하고 확장할 수 있는 강력한 도구라고 할 수 있습니다.