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打造“天眼”的计算大脑——自动化所高带宽专用实时计算平台运用于天文观测

  • 发表日期:2016-12-07 【 【打印】【关闭】
  •   2016925日,世界上最大的单口径射电望远镜FAST500米口径球面射电望远镜)落成启用,开始接收来自宇宙深处的电磁波。这标志着由自动化所国家专用集成电路设计工程技术研究中心参与研制的高带宽专用实时计算平台开始助力FAST问天之旅。该套平台是国际首台3GHZ@12bit以上高带宽数据采集-分析-直存一体化平台,在天文观测领域具有重要意义。 

      FAST专属计算平台 

      作为世界第一大单口径射电望远镜,FAST将接收来自宇宙的海量信息。高带宽专用实时计算平台肩负着两个任务一是如快速有效获取、存储这些信息;二是如计算这些数据,及时从海量数据中获取有用信息,产出有用的科学成果。 

      据专家估算,FAST5年总体数据存储需求为20PB是“天河2号”超级计算机存储容量的1.6倍。不仅如此,FAST 3GHZ带宽的高频率覆盖范围在为科学研究带来便利的同时,对后端计算平台性能提出了极高的要求。以FAST重要任务之一——快速射电爆探测为例,要在浩如烟海的数据中找到持续时间不到一秒钟的射电信号对平台的计算能力、高精度数据同步能力、高带宽数据处理及直接存储能力是极大的考验。此外,望远镜使用周期较长,可进行研究的科学目标较多,不同的研究目标需要不同的配置。这要求后端计算平台具备灵活的可配置性和扩展性。 

      针对FAST计算平台的这些要求,研究团队在计算节点架构、低延时高可靠交换网络、可配置IO平台、大型系统整体互连与高效存储结构方面提出了关键性创新架构,自主研发高速数据交织采集模块、高带宽数据综合变频并行分路模块、可局部互连的异构实时加速模块、高带宽数据直存模块、管控模块以及配套软件算法,实现了高实时计算,差异化传输下的多源异构海量数据存储、交换及管理,智能化开发及系统管理等。可以说,为FAST量身打造了专的数据计算平台 

      前,FAST高带宽专用实时计算平台已初具规模,建成了数据存储与处理集群,具备高速数据直存功能。已署的数据平台包括谱线数据处理平台、脉冲星数据处理平台、远程数据处理与同步软件等。该系统经过FAST全系统协调观测,已经得到第一批科学数据,整体运行良好。 

      这个平台将会产生什么样的科学成果?项目负责人蒿杰副研究员畅想:“希望在不久的将来,脉冲星数据处理平台能为我国新一代的脉冲星导航做出贡献、用我们的谱线数据处理平台能够发现来自星际的有机物分子 

      天文射电领域的数据处理专家 

      高性能数字信号处理器研制自动化所集成中传统优势,而将大型信号与数据处理整机系统设计与天文射电领域结缘始于2011年。集成中心在新疆承担了国家天文台天籁阵列望远镜后端计算平台的设计,为暗能量射电探测提供了有力支持。作为该领域首台国产设备,摆脱了国内大型干涉探测阵列长期使用国外产品的现状,在可支撑采样精度及系统计算功耗比方面甚至高于国外产品。 

      在这个项目中,团队创新性地提出了局部计算交换一体化可配置处理单元的概念,解决了大规模全相关处理的数据滞阻问题。平台架构设计充分考虑了系统的可扩展性和可配置性仅通过调整系统子卡与尾板,就满足了用户设计指标及方案多次更改,没有新增任何开发成本。 

      之后,团队在国内天文射电专用计算领域越做越专业。先后参与了位于新疆的国家天文台宇宙第一缕曙光探测21cm阵列(21CMA)、南山25m射电望远镜多个项目,他们研制的处理平台被美国选为其在南非建设的HERA大型射电探测阵的实时中央信号处理单元。国际知名的天文数字后端研发组织CASPER已将自动化所产品作为其下一代处理设备进行推广团队还作为我国CSP(中央信号处理)工作包的牵头人,加入国际大科学工程SKASquare Kilometre Array),承担核心处理集群的研制,这标志着国际天文射电研究领域对他们的认可。 

      既能仰望星空又能融入产业 

      通过6年多的不断积累,团队已实现天文信号采集和核心计算模块的自主知识产权国产化,为我国大型望远镜工程建设提供了核心技术支持。 

      成绩背后团队艰辛的付出。射电望远镜大多建设在人迹罕至、自然条件恶劣的地方,白雪皑皑的新疆大红柳峡,到气温高达50摄氏度的南非小镇,团队成员长期驻扎在现场进行联调联试,身体经受着巨大考验。谈及这些,蒿杰笑着说:件虽然很艰苦,但是我们也获得了回报,还是很值得。  

      既能仰望星空,又能融入产业,蒿杰所说的“回报”是一系列专用领域大数据处理技术。通过国家天文台大科学装置FAST实际建设中的历练,团队积累了完整的创新型科学数据中心建设经验在高实时、可配置计算节点架构、差异化传输下的多源异构海量数据高效存储、交换、智能化开发及系统管理、大数据环境下的设备自闭环分析及配置方面形成了完整的技术体系,可以为有专用领域数据处理需求的行业提供有力支撑。目前团队已经和电力科学研究院、南瑞集团、工程物理研究院等单位进行合作,在大型电网安全计算、电力电子仿真、能源系统仿真等领域进行产品推广应用。 

      天文界流传着这样一句话:Building Telescope is a game of shrinking dreams(建设天文望远镜是一个不断缩小梦想的游戏)”。相信在研究团队成员的心里,也有这样一个梦想,让快速精准的大数据处理不再成为难题