Alle Systeme auf grün für den höchstgelegenen Supercomputer der Welt

Weitwinkelaufnahme des ALMA-Korrelators Quelle: Foto: ESO (idw)

Hoch oben in den abgelegenen Anden im Norden Chiles hat man einen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt errichtet und erfolgreich getestet. Damit wurde einer der wichtigen verbliebenen Meilensteine auf dem Weg zur Fertigstellung des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) erreicht. Der ALMA-Korrelator ist ein Spezialgroßrechner mit über 134 Millionen Prozessoren und ist in der Lage, bis zu 17 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde auszuführen. Damit erreicht er eine Geschwindigkeit, die vergleichbar mit der des aktuell schnellsten Universalgroßrechners ist.

Der Korrelator ist eine der zentralen Komponenten von ALMA, einem astronomischen Teleskopverbund, der aus 66 Antennenschüsseln besteht. Die 134 Millionen Prozessoren des Korrelators kombinieren und vergleichen kontinuierlich die schwachen Signale aus dem Kosmos, die die einzelnen Antennen der Anlage empfangen, die bis zu 16 Kilometer voneinander entfernt stehen können. So ist es möglich, die verschiedenen Antennenschüsseln wie ein einziges großes Teleskop zusammenarbeiten zu lassen. Die Daten, die jede einzelne Antenne empfängt, müssen dafür mit denen jeder anderen Antenne abgeglichen werden. Bei einer maximalen Kapazität von 64 gleichzeitig angeschlossenen Antennen ^[1] kann der Korrelator bis zu 17 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde verarbeiten ^[2]. Der Korrelator wurde speziell für diese Aufgabe gebaut; die Anzahl der Rechenoperationen pro Sekunde, die er erreicht, ist aber vergleichbar mit der Leistung der schnellsten Universalgroßrechner der Welt ^[3].

„Diese einzigartige rechentechnische Herausforderung erforderte ein innovatives Design, sowohl was die einzelnen Komponenten als auch was die gesamte Architektur des Korrelators angeht”, erläutert Wolfgang Wild, der europäische ALMA-Projektmanager bei der ESO.

Das grundlegende Design des Korrelators oblagen ebenso wie sein Bau und seine Einrichtung dem US-amerikanischen National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dem führenden nordamerikanischen ALMA-Partner. Das Korrelator-Projekt wurde von der US-amerikanischen National Science Foundation und zusätzlichen Beiträgen von der ESO finanziert.

„Die Fertigstellung und Einrichtung des Korrelators ist ein wichtiger Bestandteil des nordamerikanischen Beitrags für das internationale ALMA-Projekt”, fasst Mark McKinnon, der nordamerikanische ALMA-Projektdirektor beim NRAO zusammen. „Die technischen Herausforderungen waren enorm, aber unser Team hat es geschafft.”

Die ESO als der europäische Partner bei ALMA hat einen wichtigen Bestandteil zu dem Korrelator beigesteuert: Ein in Europa komplett neu entwickeltes, vielseitiges digitales Filtersystem wurde in das ursprüngliche NRAO-Design eingebaut. Dazu entwickelte die französische Université de Bordeaux einen Satz von 550 hochmodernen Digitalfilterplatinen für die ESO ^[4]. Mit diesen Filtern kann die Strahlung, die ALMA beobachtet, in 32 mal so viele Wellenlängenbereiche aufgeteilt werden wie zu Beginn vorgesehen. Jeder dieser Bereiche kann dabei präzise eingestellt werden. „Die Flexibilität, die wir dadurch gewonnen haben, ist fantastisch. Wir können den Spektralbereich, in dem ALMA beobachtet, nun in kleine Stücke zerteilen und uns dann auf diejenigen Wellenlängen konzentrieren, die für ein bestimmtes Beobachtungsobjekt benötigt werden. Das können die Signale von Gasmolekülen sein, mit deren Hilfe man eine Sternentstehungsregion kartiert, oder auch einige der am weitesten entfernten Galaxien im Universum ”, erklärt Alain Baudry von der Université de Bordeaux, der Leiter des europäischen ALMA-Korrelator-Teams.

Eine ganz besondere Herausforderung für den Korrelator ist sein außergewöhnlicher Standort: im technischen Betriebsgebäude der ALMA Array Operations Site (AOS) – dem höchstgelegenen High-tech-Gebäude der Welt. Auf 5000 Metern über dem Meeresspiegel ist die Luft so dünn, dass der doppelte Luftstrom benötigt wird, um die Anlage zu kühlen. Dafür werden etwa 140 Kilowatt Leistung benötigt. Bei derart niedrigem Luftdruck können außerdem keine herkömmlichen Festplatten verwendet werden, da deren Schreib- und Leseköpfe ein Luftpolster benötigen, das verhindert, dass sie die Drehscheiben zerkratzen. Hinzu kommt, dass der ALMA-Standort häufig von seismischer Aktivität betroffen ist, so dass der Korrelator so konstruiert werden musste, dass er die Vibrationen aushält, die mit Erdbeben einhergehen.

ALMA hat im Jahr 2011 seine ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit einem Teil der Antennen aufgenommen. Ein Teil des Korrelators kam dabei bereits zum Einsatz, aber erst jetzt ist das System vollständig. Damit ist der Korrelator bereit, um ALMA mit einer größeren Anzahl von Antennen arbeiten zu lassen, wodurch sich die Empfindlichkeit und die Qualität der Beobachtungen weiter verbessern werden.

ALMA nähert sich der Fertigstellung und wird im März 2013 eingeweiht werden.

Endnoten

^[1] Der ALMA-Korrelator ist eines von zwei derartigen Systemen im ALMA-Komplex. Die insgesamt 66 Antennenschüsseln von ALMA sind entweder Teil des Hauptfelds von 50 Antennen, von denen jeweils die Hälfte von der ESO und vom NRAO bereitgestellt wurden, oder des Atacama Compact Array (ACA), eines zusätzlichen Antennenfelds von 16 weiteren Antennen, das vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) zur Verfügung gestellt wird. Ein zweiter Korrelator, der von der Firma Fujitsu gebaut und vom NAOJ bereitgestellt wurde, sorgt für die unabhängige Korrelation der 16 ACA-Antennenschüsseln, wann immer einzelne ACA-Antennen nicht mit den 50 weiter verteilten Hauptanordnungsantennen kombiniert werden.

^[2] 17 Billiarden = 17 000 000 000 000 000.

^[3] Der derzeitige Rekordhalter in der TOP500-Liste von Universalgroßrechnern ist der Titan, gebaut von Cray Inc., der auf 17,59 Billiarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde kommt. Da der ALMA-Korrelator ein spezialisierter Großrechner ist, wird er freilich in dieser Rangliste nicht berücksichtigt.

^[4] Diese Arbeiten basieren auf einem neuen Konzept für den Korrelator, das von der Université de Bordeaux innerhalb eines Konsortiums ausgearbeitet wurde, an dem auch ASTRON in den Niederlanden und das italienische Osservatorio Astrofisico di Arcetri beteiligt ist.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie (idw)