平方公里陣列射電望遠鏡背后的科學數據處理

新浪科技訊 5月21日消息，SKA(平方公里陣列射電望遠鏡)是國際上即將建造的最大綜合孔徑射電望遠鏡，由數量多達3000個的碟形天線構成。整個陣列中大約50%的望遠鏡天線位於中央核心區的5公里半徑內，另外的25%將外延至200公里範圍，最后的25%將延伸超過3000公里，最終所有望遠鏡被等效為一個反射面積高達1平方公里的超大望遠鏡。SKA建造的目的是為了解答目前困擾科學界的多問題，如關於第一代天體如何形成、星系演化、宇宙磁場、引力的本質、地外生命與地外文明、暗物質和暗能量等。其中，關於宇宙起源、引力本質、暗物質的探索等，都是目前物理領域最前沿的問題，一旦有所突破，很有可能會誕生一批可獲得“諾貝爾獎”的新理論、新成果。

“SKA科學數據處理研討會”上，SKA科學計算平台負責人Chris Broekema介紹，SKA預計2018年開始建設，2020年初步完成，開始第一階段建設，計劃運行50年。SKA建成后，將比目前最大厘米波綜合孔徑望遠鏡JVLA靈敏度提高50倍，搜尋速度提高10000倍。目前SKA已完成初步設計與審工作，下面將進行進一步研發。另外，綜合考慮靜電以及當地人口密度等因素，SKA望遠鏡計劃將安裝於南非和澳大利亞沙漠中，並分別在開普敦和珀斯建立數據中心，以接收處理SKA生的海量數據。

針對“SKA(平方公里陣列射電望遠鏡)”這一全球最大的天文學國際合作項目的科學計算平台，如何尋找一種更加高性能低能耗的計算架構，來應對全球最大“大數據”項目的科學數據處理挑戰成為關鍵問題。SKA的研究極度依賴於超級計算技術的支撐，每秒採集的數據量計劃大於12Tb，相當於2013年底中國互聯網國際出口頻寬的3.5倍，相當於谷歌每年數據量的30倍。這需要百億億次級別的超級計算機才能完成科學數據處理，相當於目前全球最快超級計算機天河2號性能的52倍。按現有的計算架構設計，這樣的超級計算機不僅投資巨大，單每年的電費支出就將是一筆天文數字。目前，包括天線、超算、基建等在內，SKA的總預算高達6.5億歐元(約44.9億元人民幣)。

SKA超大的數據規模對現有計算技術和架構提出極大的挑戰，迫切需要更先進的計算架構來完成數據處理工作。目前在太原理工大學舉辦的ASC15世界大學生超級計算機競賽專門為SKA設置了針對該應用的優化賽題，以激發全球各國超算年輕天才共同來解決這一難題。16隻全世界代表隊的大學生利用浪潮伺服器針對SKA項目中計算量最大、最耗時的數據處理軟件Gridding展開並行優化工作，目前來看，各參賽大學生團隊的成績很優秀，目前最好的成績可以達到相比原應用性能提升了600倍，完成同等規模數據處理的系統功耗降低至原來的1/20。對Gridding的優化有助於提高SKA性能，進而降低能耗，最終達到高性能低能耗的目標。

作為SKA首創國之一，中國在SKA發起、工程概念提出、台址選擇、國際合作推進及高性能天線設計等諸多方面做出了貢獻。SKA涉及多基礎研究和高新技術領域，是我國繼國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃后作為正式成員參加的第二個國際大科學工程。(飛飛)