Når verdens største teleskop, ELT-teleskopet (Extremely Large Telescope), skal bygges på en bjergtop i Chile, bliver det med et dansk designet serversystem. Force Technology har nemlig vundet opgaven med at bygge det computer-cluster, der skal sørge for de ekstremt tunge beregninger, der skal bruges til at styre flere spejle på ELT-teleskopet.
Konkret er det systemudvikleren Poul-Henning Kamp og ingeniøren Niels Hald Pedersen, der skal udvikle serversystemet.
Regnekraften i serversystemet skal bruges til at styre den adaptive optik, der korrigerer for den turbulens i atmosfæren, som gør det svært at tage billeder af stjernehimlen fra Jordens overflade.
Adaptiv optik består en deformerbare spejle, der i realtid kan korrigere for de billedforvrængninger, som skyldes turbulens i atmosfæren. På den måde kan man tage billeder, som er næsten lige så skarpe, som hvis de var taget ude fra rummet. Adaptiv optik tillader, at det optiske system i teleskoperne kan observere meget finere detaljer på meget svagere astronomiske objekter, end der ellers ville være mulighed for fra Jorden.
»Helt firkantet skal vi levere det computer-cluster, der skal forhindre stjernerne i at tindre, når ELT-teleskopet observerer dem. Med et lille teleskop er den cylinder af luft, man kigger op igennem, homogen, men når cylinderen bliver 39 meter i diameter, er turbulens et alvorligt problem. På ELT-teleskopet har man yderligere det problem, at nogle af spejlene er så store, at de deformeres af tyngdekraften og vindstød. Man løser begge problemer ved at kigge på nogle naturlige eller kunstige 'guide-stars' med wavefront-sensorer. Lyset der rammer disse wavefront-sensorer har været hele vejen igennem teleskopet, ligesom det lys som den videnskabelige detektor opfanger, og derfor kan man matematisk regne ud, hvordan man skal deformere spejlene for at kompensere for den turbulente atmosfære,« fortæller Poul-Henning Kamp.
Når man bygger et gigantisk teleskop som ELT-teleskopet, så er forventningen til levetiden noget længere end almindelig elektronik, og det er især den udfordring, de to danske udviklere har løst.
»Normalt laver man disse beregninger på specialbygget hardware med DSP- og FPGA-chips, men det giver vedligeholdelsesproblemer på den lange bane. Teleskoper lever i mange årtier, men chips er håbløst gammeldags efter blot nogle få år. Vi lavede en simpel prototype for nogle år siden, som viste, at moderne x86-servere har computerkraft nok til at lave disse tunge beregninger, selv for verdens største teleskop,« siger Poul-Henning Kamp.
Det bliver nogle voldsomt store beregninger der skal igennem det danske serversystem for at styre de aktuatorer der drejer spejlene. Der er tale om adskillige matricer med sidelængder på op til 10.000, og beregningerne skal udføres 500 gange i sekundet for at kunne følge med den atmosfæriske turbulens og eventuelle resonanser i stålkonstruktionen.
»I alt blive det til omkring 700 GFLOPs, (700 milliarder operationer i sekundet red.) per wavefront-sensor, og teleskopet forventes i sidste ende at have seks sensorer. Vores prototype skal dog kun lave beregningerne for en enkelt wavefront-sensor og simulerer så beregningerne for de fem andre,« siger Poul-Henning Kamp.
Læs også: Karriereplanen på skinner...
Hos GTS-instituttet Force Technology er man glade for at kunne være med til at bygge ELT-teleskopet.
»Vi er meget glade for at have vundet opgaven i et helt almindeligt udbud med andre konkurrenter. Det giver synlighed verden over, når Danmark bidrager til et prestigeprojekt som ELT-teleskopet. Den adaptive optik er forudsætningen for at teleskopet i Chile kan blive funktionelt,« siger Jakob Nørgaard, projektleder i Force Technology.
Hvad bliver den største tekniske udfordring i projektet?
»For mig bliver det at koreografere data-transporten imellem computerne. Der kommer data ind fra seks wavefront-sensorer (6 * 800x800 pixels, 32bit per pixel, 500 gange per sekund), og der kommer feedback-data tilbage (ca. 7.000 værdier, 500 gange per sekund) fra de spejle, der skal styres. Det skal alt sammen enten den ene eller den anden vej igennem beregningsprocessen – i takt og til tiden, « fortæller Poul Henning Kamp.
For Niels Hald Pedersen er opgaven også en af de mere sjældne. Han arbejder især med at optimere de numeriske beregninger, så de maksimalt udnytter CPU, cache og RAM.
»Men lige som koreografering af datatransport mellem de fysiske maskiner er en voksen opgave, så er datatransport internt i den enkelte maskine også en udfordring. Og det er en opgave, man som programmør sjældent skænker en tanke, da det normalt er noget, som maskinen tager sig af transparent. For at sikre den grad af mikrosekund-forudsigelighed, som er nødvendig i dette projekt, er vi nødt til at sørge for, at de data, en given beregning skal bruge, ligger tættest mulig på den processorkerne, der skal udføre beregningen. Og da alle 64 processorkerner skal lave noget forskelligt samtidig, så er dette lidt af et cirkus,« fortæller Niels Hald Pedersen og fortsætter:
Læs også: Bjergtop i Chile sprænges torsdag aften
»Skal man f.eks. gange en 10.000 x 10.000 matrix med en 10.000 vektor hurtigt, så vil man fordele denne beregning mellem mange processorkerner, f.eks. 56. Det betyder, at hver core skal indlæse små 1,8 mio flydende tal, eller lidt over 7 MBytes. For at dette skal køre hurtigt, og frem for alt forudsigeligt, så skal man sikre, at så meget af det, der skal læses, allerede ligger i lokal level3-cache, og at resten ligger i RAM på den lokale memorybus. Dette er normalt ikke er noget, programmøren kan se, eller har adgang til at styre. Vi er i dette projekt nød til at gøre intern datatransport til et selvstændigt og eksplicit trin i beregningen.«
Hvordan er det at være med i byggeriet af verdens største teleskop?
»For det første er det rent teknologisk spændende, vores forrige prototype viste helt nye og meget billigere muligheder for implementering af adaptiv optik, nu skal vi vise at det ikke bare er en teoretisk mulighed. For det andet er det videnskabeligt spændende, jo bedre vi gør det, desto bedre kommer ELT til at virke. Og ELT har rigtig gode chancer for at blive teleskopet, der afslører liv på en anden planet, end den vi tager alt for givet til daglig. Men mest af alt er det en rigtig nørde-opgave,« siger Poul Henning Kamp.
