IBM Forscher Ronald Luijten am DOME-Projekt zur Erforschung von Exascale-Systemarchitekturen.
Rüschlikon / Drenthe (NL) – Das niederländische Institut für Radioastronomie ASTRON und IBM lancieren ein fünfjähriges Forschungsprojekt, um sehr leistungsfähige und energieeffiziente neue Informationstechnologien für das Square Kilometer Array-Teleskop (SKA) zu erforschen. Das derzeit von einem internationalen Konsortium geplante SKA-Teleskop wird nach seiner Fertigstellung in 2024 das weltweit grösste und empfindlichste Radioteleskop sein. Es soll Antworten auf einige grundlegende Fragen zur Entstehung von Galaxien, schwarzer Materie und dem „Big Bang“ – dem Urknall – liefern.
Mit Tausenden von Einzelteleskopen, deren Fläche zusammen einen Quadratkilometer ergibt, stellt das SKA ein Radioteleskop der Superlative dar. Auch in punkto Datenverarbeitung erreicht das gigantische Teleskop neue Grössenordnungen. Laut Schätzungen werden an einem Tag rund ein Exabyte – das sind 1 Milliarde mal 1 Milliarde Bytes – an Funksignalen aufgenommen.
«Das ist ‹Big Data› im Extremfall“
„Nehmen Sie den täglichen, weltweiten Datenverkehr im Internet und multiplizieren Sie ihn mit zwei*, dann erreichen Sie die Grössenordnung an Daten, die das SKA-Teleskop an einem Tag generieren wird. Das ist ‹Big Data› im Extremfall“, erklärt IBM Forscher Ton Engbersen. Die Analyse eines solchen Datenvolumens erfordert Hochleistungssysteme und Übertragungsnetze mit einer Kapazität, die weit über die aktuellen State-of-the-art-Lösungen hinausgehen. Man spricht dabei von so genannten Exascale Systemen – Computer, die in der Lage sind, das 100-fache an Daten zu verarbeiten als die derzeit schnellsten Rechner.
DOME-Projekt
Um diese einzigartige Herausforderung zu lösen, haben ASTRON und IBM Research – Zürich das DOME-Projekt ins Leben gerufen. Das Forschungsvorhaben mit einem Gesamtfinanzierungsrahmen von 32,9 Millionen Euro wurde benannt nach dem zweithöchsten Berg der Schweiz (Dom, 4545 m) und den charakteristischen Kuppeln von Radioteleskopen, die im Englischen „dome“ heissen. Im eigens für das Projekt geschaffenen „ASTRON & IBM Center for Exascale Technology“ im niederländischen Drenthe wird ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern beider Institutionen massgebende Zukunftstechnologien und hocheffiziente Exascale-Systemarchitekturen erforschen, die das Verarbeiten, Speichern und Analysieren solcher riesigen Datenmengen ermöglichen.
Immense Datenmenge effizient analysieren
„Grosse Forschungsinfrastrukturen wie das SKA erfordern extrem leistungsfähige Datenverarbeitungssysteme, um die immense Datenmenge auch effizient analysieren zu können. Der einzige sinnvolle Weg, um solche Systeme zu realisieren, ist es, ihren Energieverbrauch drastisch zu reduzieren. Mit DOME haben wir die Chance, umfassende neue Ansätze für ‹grünes Supercomputing› zu entwickeln und voranzubringen. Das wird sich letztlich auch auf die gesamte Gesellschaft positiv auswirken“, sagt Marco de Vos, Direktor von ASTRON.
Zu den Technologien, die in DOME erforscht werden, zählen spezialisierte Beschleuniger-Prozessoren, 3-dimensional gestapelte Chips für energieeffizientes Computing, neue optische Datenübertragungstechnologien und Silizium-Nanophotonik für die Übertragung sehr grosser Datenmengen sowie Hochleistungsspeichersysteme, neue Magnetbandspeichersysteme und fortschrittliche Memory-Technologien für die Optimierung der Datenspeicherung und -archivierung.
Computerbasierte Modellierungen
Ein zentraler Schwerpunkt der Forschungsarbeit sind computerbasierte Modellierungen. Um ein grundlegendes Design der IT-Infrastruktur für das SKA mit realistischen Annahmen entwerfen zu können, werden ausgeklügelte Methoden für die Modellierung und Optimierung von komplexen IT-Systemen zum Einsatz kommen. Die Methoden wurden bei IBM Research – Zürich entwickelt und bereits mehrfach in der Praxis angewendet. Die Basis für die Simulationen der SKA-Infrastruktur bildet eine Analyse des bestehenden Systems für das LOFAR-Teleskop, das ASTRON in den Niederlanden betreibt. Dieses spezielle Radioteleskop zählt zu den so genannten „Pfadfinder-Technologien“, die als wegweisend für das weitaus grössere und komplexere SKA gelten. Ton Engbersen unterstreicht: „Mit DOME starten wir eines der datenintensivsten wissenschaftlichen Projekte, die jemals geplant wurden. Die Erkenntnisse und technologischen Innovationen, die daraus resultieren, werden auf viele andere Anwendungen in Wissenschaft und Wirtschaft – weit über die Radioastronomie hinaus – ‹abstrahlen› und von grosser Relevanz sein.“
Das DOME-Projekt wird mit finanzieller Unterstützung der Provinz Drenthe und dem niederländischen Ministerium für Wirtschaft, Landwirtschaft und Innovation durchgeführt.
Das SKA: Ein Radioteleskop der Superlative
Der Name des SKA-Teleskops leitet sich ab von der gesamten Fläche aller 3000 geplanten Einzelteleskope, die in der Summe rund einen Quadratkilometer ergibt. Die einzelnen Teleskope werden in einem speziellen Muster angeordnet und sind bis zu 3000 Kilometer vom Zentrum entfernt. Die empfangenen Signale werden kombiniert, um so ein Riesenteleskop zu simulieren, das rund 50-mal empfindlicher und mehr als 10000-mal schneller als heutige Radioteleskope sein wird.
Die Forscher schätzen, dass das SKA ungefähr ein Exabyte an Daten pro Tag produziert. Selbst nach Analyse dieser Daten würden pro Jahr immer noch 300 bis 1500 Petabytes an Daten gespeichert werden müssen. Im Vergleich dazu beträgt die Speicherkapazität des Large Hadron Collider am CERN mit rund 15 Petabyte ** an Daten pro Jahr zwischen ca. 10 bis 100 Mal weniger als die anvisierte Kapazität des SKA.
Das Teleskop wird in einem internationalen Trägerkonsortium von 67 Organisationen aus 20 Ländern erarbeitet. Es soll 2020 seinen Betrieb aufnehmen und bis 2024 fertig gestellt sein. Mögliche Standorte für das SKA-Teleskop sind Australien/Neuseeland oder Südafrika. Beide Regionen bieten eine sehr gute Sicht auf das galaktische Zentrum und ausgedehnte, unbewohnte Gebiete mit minimalen Radiointerferenzen. Dies ist notwendig, um die zum Teil sehr schwachen Signale aus dem Weltall möglichst optimal zu empfangen. Die Wahl des Standorts wird noch in diesem Jahr erwartet.
Eine Partnerschaft mit Geschichte
Mit DOME knüpfen ASTRON und IBM an zwei frühere Partnerschaften an. So haben die beiden Organisationen bereits gemeinsam an der Entwicklung, Konstruktion und Herstellung von massgeschneiderten Signalverarbeitungsprozessoren für ein SKA-Prototypensystem geforscht. In einer weiteren Zusammenarbeit wurde ein spezialisiertes Blue Gene® Supercomputer-System eingerichtet, das die Informationen des LOFAR-Teleskops auswertet. (IBM/mc/ps)
* Der Vergleich basiert auf 19 707 Petabyte pro Monat in 2011, Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_traffic
** Quelle: http://user.web.cern.ch/public/en/LHC/Computing-en.html
Über ASTRON
ASTRON ist das Niederländische Institut für Radioastronomie. Seine Aufgabe ist es, neue Entdeckungen und Erkenntnisse in der Radioastronomie zu generieren. Dazu engagiert sich ASTRON in der Entwicklung innovativer Technologien, im Betrieb von weltweit führenden Radioastronomie-Einrichtungen und in der astronomischen Grundlagenforschung. Weitere Informationen: www.astron.nl
Über das Square Kilometer Array
www.skatelescope.org
Über IBM Research – Zurich
www.zurich.ibm.com