Высотный суперкомпьютер

Один гигантский телескоп из многих антенн с помощью коррелятора ALMA

На севере Чили высоко в Андах завершена установка и тестирование одного из мощнейших в мире суперкомпьютеров. Это один из главных пунктов на оставшемся отрезке пути к завершению строительства  сложнейшего из всех когда-либо построенных наземных телескопов  — телескопа ALMA (Atacama Large Millimiter/submillimiter Array). Более 134 миллионов процессоров объединено специализированным коррелятором ALMA, которому под силу выполнять до 17 квадриллионов операций в секунду.

Коррелятор ALMA

Фотоснимок коррелятора ALMA в широкоугольном формате

Этот коррелятор является критически важным компонентом астрономического телескопа ALMA, который представляет собой решетку из 66 дисковых антенн. 134 миллиона процессоров коррелятора непрерывно складывают и сравнивают слабые сигналы от космических источников, принимаемые антеннами ALMA, которые могут быть разнесены на расстояния до 16 километров. Таким образом, именно коррелятор позволяет антеннам работать как единый гигантский телескоп. Информация, собираемая каждой антенной, должна складываться с той, которая получается всеми остальными антеннами. При максимальном объеме решетки, когда задействованы 64 антенны [1] каждую секунду должно выполняться 17 квадриллионов операций [2]! Именно для этой цели коррелятор и был создан. Количество вычислений, которое он выполняет в секунду, сравнимо с тем, которое производит самый быстрый суперкомпьютер в мире [3].

“Эта уникальная вычислительная задача требовала новаторского подхода к построению как индивидуальных компонентов, так и всей архитектуры коррелятора”, — говорит Вольфганг Вильд (Wolfgang Wild), Европейский менеджер проекта ALMA (ESO).

Первоначальная конструкция коррелятора, так же, как его изготовление и установка, курировались Национальной радиоастрономической обсерваторией США (NRAO), ведущим североамериканским партнером проекта ALMA. Проект финансировался Национальным научным фондом США, свой вклад внесла и ESO.

“Окончание строительства и установка коррелятора – важнейший этап выполнения Северной Америкой своей доли участия в международном проекте создания телескопа ALMA”, — сказал Марк Мак-Киннон (Mark McKinnon), директор проекта ALMA в Северной Америке (NRAO). “Технические проблемы, которые приходилось решать, были огромны, и наша команда справилась с ними”, — добавил он.

Как европейский партнер ALMA, ESO также обеспечила ключевую часть коррелятора: полностью новую и многофункциональную систему цифровой фильтрации, которая была разработана в Европе и сопряжена с первоначальным nроектом NRAO. Система из 550 сверхсовременных цифровых фильтров на печатных платах была спроектирована и построена для ESO Университетом Бордо во Франции [4]. С этими фильтрами длины волн излучения, принимаемого ALMA, могут быть расщеплены на части, в 32 раза более мелкие, чем в первоначальной схеме, что позволяет с гораздо большей чувствительностью оперировать сигналами. “Это в огромной степени улучшило гибкость системы и сделало ее поистине фантастической: это позволяет нам секционировать и фрагментировать спектр излучения, принимаемого антеннами, «вдоль и поперек», так, что мы можем сконцентрироваться точно на той длине волны, которая требуется для данного наблюдения – будь это составление карты распределения газовых молекул в звёздообразующем облаке, или поиск самых далеких галактик во Вселенной”, — сказал Ален Бодри (Alain Baudry) из Университета Бордо, руководитель европейской группы разработчиков коррелятора ALMA.

Еще одной труднейшей задачей, которую требовалось решить, было местоположение устройства. Коррелятор помещается в Техническом корпусе Центрального пульта управления ALMA (Array Operations Site — AOS), самом высокорасположенном техническом здании в мире. На высоте 5000 метров воздух разрежен, поэтому для охлаждения устройства, мощность которого около 140 киловатт, требуется обдувать его вдвое сильнее, чем в обычных условиях. В таком разреженном воздухе нельзя использовать вращающиеся компьютерные диски, пишущие / читающие головки которых предохраняются от повреждения при контакте с поверхностью диска при помощи воздушной подушки. Сейсмическая активность высока, и поэтому коррелятор пришлось проектировать с учетом амортизации вибраций, связанных с землетрясениями.

Научные наблюдения с телескопом ALMA начались в 2011 г. с неполной антенной решеткой. Одна из секций коррелятора уже использовалась для сложения сигналов от части решетки. Но теперь вся система полностью готова к работе. Коррелятор готов к тому, чтобы ALMA начала работать с большим числом антенн, что повысит чувствительность телескопа и качество изображений при наблюдениях.

Строительство телескопа ALMA близится к завершению. Инаугурация намечена на март 2013 года.

 

Примечания

[1] Коррелятор ALMA – одна из двух таких систем в комплексе ALMA. Общее число антенн ALMA – 66 разделяется на главную решетку из 50 антенн (половину из них обеспечивает ESO, половину — NRAO) и дополнительной решетки из 16 антенн, называемой Атакамской Компактной Решеткой (Atacama Compact Array — ACA), обеспечиваемой Национальной астрономической обсерваторией Японии (NAOJ). Второй коррелятор, изготовленный компанией Fujitsu и установленный силами NAOJ, обеспечивает независимую корреляцию 16 антенн ACA, за исключением тех случаев, когда избранные антенны ACA комбинируются с 50 более широко разнесенными антеннами главной решетки.

[2] 17 квадриллионов = 17 000 000 000 000 000.

[3] Сейчас рекордсменом списка 500 суперкомпьютеров общего назначения TOP500 является Titan, производства Cray Inc., который реализует 17.59 квадриллионов операций с плавающей точкой в секунду. Однако, коррелятор ALMA является суперкомпьютером специального назначения, который некорректно сравнивать с компьютерами общего назначения по этому параметру.

[4] Эта работа последовала за разработкой новых концепций коррелятора, выполненной Университетом Бордо в составе консорциума, в который также входила фирма ASTRON (Нидерланды) и обсерватория Арчетри (Италия).

Международный астрономический инструмент ALMA (Большая Атакамская Миллиметровая / субмиллиметровая Решетка — The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) совместный проект ученых Европы, Северной Америки и Восточной Азии, при участии Республики Чили. Строительство и эксплуатацию ALMA ведут от Европы Европейская Южная Обсерватория (ESO), от Северной Америки Национальная радиоастрономическая обсерватория (National Radio Astronomy Observatory — NRAO), и от Восточной Азии Национальная радиоастрономическая обсерватория Японии (National Astronomical Observatory of Japan — NAOJ). Организационно строительство, пуско-наладочные работы и эксплуатация ALMA совместно возглавляются и управляются в рамках Объединенной Обсерватории ALMA (The Joint ALMA Observatory, JAO).

Поделитесь этим с друзьями и знакомыми


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.