——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國(guó)科學(xué)院辦院方針
語(yǔ)音播報(bào)
天文界流傳著這樣一句話(huà):“建設(shè)天文望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)不斷縮小夢(mèng)想的游戲?!痹谥袊?guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所有這樣一支研究團(tuán)隊(duì),他們參與研制的高帶寬專(zhuān)用實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)已應(yīng)用于500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST,正和FAST共赴“問(wèn)天”之旅。
日前,該團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、自動(dòng)化所國(guó)家專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)集成中心)研究員蒿杰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者:“可以說(shuō),我們?yōu)镕AST量身打造了專(zhuān)屬的數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)?!?/p>
打造FAST專(zhuān)屬計(jì)算平臺(tái)
2016年9月25日,F(xiàn)AST在貴州省平塘縣的喀斯特洼坑中落成啟用,并開(kāi)始接收來(lái)自宇宙深處的電磁波。FAST搭載的高帶寬專(zhuān)用實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)是國(guó)際首臺(tái)3GHZ@12bit以上高帶寬數(shù)據(jù)采集—分析—直存一體化平臺(tái),在天文觀測(cè)領(lǐng)域具有重要意義。
作為世界第一大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡,F(xiàn)AST的主要工作是接收來(lái)自宇宙的海量信息。蒿杰介紹,高帶寬專(zhuān)用實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)肩負(fù)著兩個(gè)任務(wù):一是如何快速有效獲取、存儲(chǔ)這些信息;二是如何計(jì)算這些數(shù)據(jù),及時(shí)從海量數(shù)據(jù)中獲取有用信息,產(chǎn)出有用的科學(xué)成果。
據(jù)專(zhuān)家估算,F(xiàn)AST前5年總體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求為20PB,是“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量的1.6倍。蒿杰指出:“不僅如此,F(xiàn)AST 3GHZ帶寬的高頻率覆蓋范圍在為科學(xué)研究帶來(lái)便利的同時(shí),也對(duì)后端計(jì)算平臺(tái)性能提出了極高的要求?!?/p>
他進(jìn)一步解釋?zhuān)訤AST重要任務(wù)之一——快速射電爆探測(cè)為例,要在浩如煙海的數(shù)據(jù)中找到持續(xù)時(shí)間不到一秒鐘的射電信號(hào),對(duì)平臺(tái)的計(jì)算能力、高精度數(shù)據(jù)同步能力、高帶寬數(shù)據(jù)處理及直接存儲(chǔ)能力是極大的考驗(yàn)。
此外,望遠(yuǎn)鏡使用周期較長(zhǎng),可進(jìn)行研究的科學(xué)目標(biāo)較多,不同的研究目標(biāo)需要不同的配置。這要求后端計(jì)算平臺(tái)具備靈活的可配置性和擴(kuò)展性。
針對(duì)FAST計(jì)算平臺(tái)的這些“高”要求,蒿杰帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在計(jì)算節(jié)點(diǎn)架構(gòu)、低延時(shí)高可靠交換網(wǎng)絡(luò)、可配置IO平臺(tái)、大型系統(tǒng)整體互連與高效存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)方面提出了關(guān)鍵性創(chuàng)新架構(gòu)。
團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了高速數(shù)據(jù)交織采集模塊、高帶寬數(shù)據(jù)綜合變頻—并行分路模塊、可局部互連的異構(gòu)實(shí)時(shí)加速模塊、高帶寬數(shù)據(jù)直存模塊、管控模塊以及配套軟件算法,實(shí)現(xiàn)了高實(shí)時(shí)計(jì)算,差異化傳輸下的多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交換及管理,智能化開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)管理等。
目前,F(xiàn)AST高帶寬專(zhuān)用實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)已初具規(guī)模,建成了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理集群,具備高速數(shù)據(jù)直存功能。已部署的數(shù)據(jù)平臺(tái)包括譜線數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、脈沖星數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理與同步軟件等。
該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)FAST全系統(tǒng)協(xié)調(diào)觀測(cè),已經(jīng)得到第一批科學(xué)數(shù)據(jù),整體運(yùn)行良好。當(dāng)記者問(wèn)及這個(gè)平臺(tái)將會(huì)產(chǎn)生什么樣的科學(xué)成果時(shí),蒿杰的回答是:“希望在不久的將來(lái),脈沖星數(shù)據(jù)處理平臺(tái)能為我國(guó)新一代的脈沖星導(dǎo)航作出貢獻(xiàn)、用我們的譜線數(shù)據(jù)處理平臺(tái)能夠發(fā)現(xiàn)來(lái)自星際的有機(jī)物分子?!?/p>
天文射電領(lǐng)域的認(rèn)可
高性能數(shù)字信號(hào)處理器研制是自動(dòng)化所集成中心的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。2011年,大型信號(hào)與數(shù)據(jù)處理整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)始結(jié)緣天文射電領(lǐng)域,集成中心在新疆承擔(dān)了國(guó)家天文臺(tái)“天籟”陣列望遠(yuǎn)鏡后端計(jì)算平臺(tái)的設(shè)計(jì),為暗能量射電探測(cè)提供了有力支持。
蒿杰說(shuō):“作為該領(lǐng)域首臺(tái)國(guó)產(chǎn)設(shè)備,它擺脫了國(guó)內(nèi)大型干涉探測(cè)陣列長(zhǎng)期使用國(guó)外產(chǎn)品的現(xiàn)狀,在可支撐采樣精度及系統(tǒng)計(jì)算功耗比方面甚至高于國(guó)外產(chǎn)品?!?/p>
在這個(gè)項(xiàng)目中,蒿杰團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了局部計(jì)算交換一體化可配置處理單元的概念,解決了大規(guī)模全相關(guān)處理的數(shù)據(jù)滯阻問(wèn)題?!捌渲?,平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可配置性,僅通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)子卡與尾板,就滿(mǎn)足了用戶(hù)設(shè)計(jì)指標(biāo)及方案的多次更改,沒(méi)有新增任何開(kāi)發(fā)成本”。
接下來(lái)幾年里,團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)天文射電專(zhuān)用計(jì)算領(lǐng)域越做越專(zhuān)業(yè),先后參與了位于新疆的國(guó)家天文臺(tái)宇宙第一縷曙光探測(cè)21cm陣列(21CMA)、南山25m射電望遠(yuǎn)鏡等多個(gè)項(xiàng)目,他們研制的處理平臺(tái)被美國(guó)相中,入選美國(guó)在南非建設(shè)的HERA大型射電探測(cè)陣的實(shí)時(shí)中央信號(hào)處理單元。
國(guó)際知名的天文數(shù)字后端研發(fā)組織CASPER已將蒿杰團(tuán)隊(duì)的產(chǎn)品作為其下一代處理設(shè)備進(jìn)行推廣。蒿杰團(tuán)隊(duì)還作為我國(guó)CSP(中央信號(hào)處理)工作包的牽頭人,加入了國(guó)際大科學(xué)工程SKA(Square Kilometre Array),承擔(dān)核心處理集群的研制。
蒿杰欣喜地發(fā)現(xiàn),自己團(tuán)隊(duì)的工作得到了國(guó)際天文射電研究領(lǐng)域的認(rèn)可。
大數(shù)據(jù)處理不再是難題
通過(guò)六年多的不斷積累,蒿杰團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)天文信號(hào)采集和核心計(jì)算模塊的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)國(guó)產(chǎn)化,為我國(guó)大型望遠(yuǎn)鏡工程建設(shè)提供了核心技術(shù)支持。
成績(jī)背后是團(tuán)隊(duì)艱辛的付出。射電望遠(yuǎn)鏡大多建設(shè)在人跡罕至、自然條件惡劣的地方,“從白雪皚皚的新疆大紅柳峽,到氣溫高達(dá)50攝氏度的南非小鎮(zhèn),團(tuán)隊(duì)成員長(zhǎng)期駐扎在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試,身體經(jīng)受著巨大考驗(yàn)。”談及這些,蒿杰笑著說(shuō):“條件雖然很艱苦,但是我們也獲得了回報(bào),還是很值得?!?/p>
既能仰望星空,又能融入產(chǎn)業(yè),蒿杰所說(shuō)的“回報(bào)”是一系列專(zhuān)用領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)。
通過(guò)國(guó)家天文臺(tái)大科學(xué)裝置FAST實(shí)際建設(shè)中的歷練,蒿杰團(tuán)隊(duì)積累了完整的創(chuàng)新型科學(xué)數(shù)據(jù)中心建設(shè)經(jīng)驗(yàn),在高實(shí)時(shí)、可配置計(jì)算節(jié)點(diǎn)架構(gòu)、差異化傳輸下的多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)、交換、智能化開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)管理、大數(shù)據(jù)環(huán)境下的設(shè)備自閉環(huán)分析及配置方面形成了完整的技術(shù)體系,可以為有專(zhuān)用領(lǐng)域數(shù)據(jù)處理需求的行業(yè)提供有力支撐。
目前,蒿杰團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和電力科學(xué)研究院、南瑞集團(tuán)、工程物理研究院等單位進(jìn)行合作,在大型電網(wǎng)安全計(jì)算、電力電子仿真、能源系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域進(jìn)行產(chǎn)品推廣應(yīng)用。
在蒿杰研究團(tuán)隊(duì)成員的心里有一個(gè)共同的夢(mèng)想:讓快速精準(zhǔn)的大數(shù)據(jù)處理不再成為難題。
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