Danske Force Technology er med på å fjerne bildeforvrengninger fra kjempeteleskopet i Chile.
Danske Force Technology er med på å fjerne bildeforvrengninger fra kjempeteleskopet i Chile.

ELT - Extreme Large Telescope

Datasystem skal forhindre stjernene i å tindre når verdens største teleskop observerer dem

Bygges på en fjelltopp i Chile.

  • IT

Danske Force Technology med Poul-Henning Kamp i spissen, er med på å fjerne bildeforvrengninger fra et kjempeteleskop i Chile.

Når verdens største teleskop, ELT-teleskopet (Extreme Large Telescope), skal bygges på en fjelltopp i Chile, utstyres det med et dansk-utviklet serversystem. Force Technology har nemlig vunnet oppdraget med å bygge datasystemet som skal utføre de ekstremt tunge beregningene som skal brukes til å styre flere speil på ELT-teleskopet.

Rent konkret er det systemutvikleren Poul-Henning Kamp og ingeniøren Niels Hald Pedersen som skal utvikle serversystemet.

Datakraften i serversystemet skal brukes til å styre den adaptive optikken som korrigerer for den turbulensen i atmosfæren som gjør det vanskelig å ta bilder av stjernehimmelen fra Jordens overflate.

Forvrengninger fra turbulens

Adaptiv optikk består av et deformerbart speil som i sanntid kan korrigere de bildeforvrengningene som skyldes turbulens i atmosfæren. Da kan man ta bilder som er nesten like skarpe som om de var tatt ute i verdensrommet. Adaptiv optikk gjør det mulig for det optiske systemet i teleskopene å observere mye mindre detaljer på mye svakere astronomiske objekter, enn det som ellers ville vært mulig fra Jorden.

– Grovt forklart skal vi levere det datasystemet som skal forhindre stjernene i å tindre når ELT-teleskopet observerer dem. Med et lite teleskop er den sylinderen av luft som man ser opp gjennom homogen, men når sylinderen blir 39 meter i diameter, er turbulens et alvorlig problem. På ELT-teleskopet har man i tillegg det problemet at noen av speilene er så store at de deformeres av tyngdekraften og vindstøt. Man løser begge problemene ved å se på noen naturlige eller kunstige 'ledestjerner' med wavefront-sensorer. Lyset som treffer disse wavefront-sensorene, har gått hele veien gjennom teleskopet, akkurat som det lyset som den vitenskapelige detektoren fanger opp, og dermed kan man matematisk regne ut hvordan man skal deformere speilene for å kompensere for den turbulente atmosfæren, forteller Poul-Henning Kamp.

Det er speil 4 og 5, samt to speil i selve det vitenskapelige instrumentet, som Force Technology skal styre. Hovedspeilet styres av et lokalt autonomt system, og det sørger utelukkende for at kantene på de mange sekskantede speilsegmentene flukter innbyrdes. Foto: European Southern Observatory

Lang levetid er krevende

Når man bygger et gigantisk teleskop som ELT-teleskopet, er forventningen til levetid litt lengre enn for vanlig elektronikk, og det er spesielt denne utfordring som de to danske utviklerne har løst.

– Vanligvis foretar man disse beregningene på spesialbygd maskinvare med DSP- og FPGA-brikker, men det gir vedlikeholdsproblemer i det lange løp. Teleskoper lever i mange årtier, men brikker er håpløst gammeldagse etter bare noen få år. Vi lagde en enkel prototyp for noen år siden, og den viste at moderne x86-servere har datakraft nok til å foreta disse tunge beregningene, selv for verdens største teleskop, sier Poul-Henning Kamp.

Beregning: 700 GFLOPs

Det blir noen voldsomt store beregninger som skal gjennom det danske serversystemet for å styre de aktuatorene som dreier speilene. Der er snakk om adskillige matriser med sidelengder på opptil 10 000, og beregningene må gjennomføres 500 ganger i sekundet for å kunne følge med den atmosfæriske turbulensen og eventuelle resonanser i stålkonstruksjonen.

- Totalt blir dette omkring 700 GFLOPs, (700 milliarder operasjoner i sekundet red.) per wavefront-sensor, og teleskopet forventes til syvende og sist å ha seks sensorer. Men prototypen vår skal bare gjøre beregningene for én enkelt wavefront-sensor, og simulerer deretter beregningene for de fem andre, sier Poul-Henning Kamp.

Teleskopet som avslører liv på andre planeter

Hos GTS-instituttet Force Technology er man glade for å få lov til å være med på å bygge ELT-teleskopet.

– Vi er svært glade for å ha vunnet oppdraget i en helt vanlig budrunde med andre konkurrenter. Det synliggjør for hele verden at Danmark bidrar til et prestisjeprosjekt som ELT-teleskopet. Den adaptive optikken er forutsetningen for at teleskopet i Chile skal bli funksjonelt, sier prosjektleder Jakob Nørgaard i Force Technology.

Hva blir den største tekniske utfordringen i prosjektet?

– For meg blir det å koreografere data-transporten mellom datamaskinene. Det kommer inn data fra seks wavefront-sensorer (6 * 800x800 piksler, 32bit per piksel, 500 ganger per sekund), og det kommer feedback-data tilbake (cirka 7000 verdier, 500 ganger per sekund) fra de speilene som må styres. Alt dette skal enten den ene eller den andre veien gjennom beregningsprosessen – i takt og til rett tid, forteller Poul Henning Kamp.

 

For Niels Hald Pedersen er oppgaven også en av de mer sjeldne. Han jobber spesielt med å optimere de numeriske beregningene, slik at de maksimalt utnytter CPU, cache og RAM.

– Men akkurat som at koreografering av datatransport mellom de fysiske maskinene er en solid oppgave, så er datatransport internt i de enkelte maskinene også en utfordring. Og det er en oppgave som man som programmerer sjelden skjenker en tanke, siden det vanligvis er noe som maskinen tar seg av transparent. For å sikre den grad av mikrosekund-forutsigbarhet som er nødvendig i dette prosjektet, er vi nødt til å sørge for at de dataene som en gitt beregning trenger, ligger tettest mulig på den prosessorkjernen som skal utføre beregningen. Og siden alle 64 prosessorkjernene må gjøre noe forskjellig samtidig, er dette litt av et sirkus, forteller Niels Hald Pedersen, og fortsetter:

– Skal man for eksempel multiplisere en 10.000 x 10.000 matrise med en 10.000 vektor raskt, vil man fordele denne beregningen mellom mange prosessorkjerner, for eksempel 56. Det innebærer at hver kjerne må lese inn ikke mindre enn 1,8 millioner flytende tall, eller litt over 7 MB. For at dette skal kunne kjøres raskt, og framfor alt forutsigbart, må man sikre at mye av det som må leses allerede ligger i lokal level3-cache, og at resten ligger i RAM på den lokale minnebussen. Dette er vanligvis ikke noe som programmereren kan se, eller har adgang til å styre. I dette prosjektet er vi nødt til å gjøre intern datatransport til et selvstendig og eksplisitt trinn i beregningen.

Hvordan er det å være med på byggingen av verdens største teleskop?

– For det første er det rent teknologisk spennende, siden vår forrige prototyp viste helt nye og mye billigere muligheter for implementering av adaptiv optikk. Nå skal vi vise at det ikke bare er en teoretisk mulighet. For det andre er det vitenskapelig spennende. Jo bedre vi gjør det, desto bedre vil ELT fungere. Og ELT har veldig gode sjanser for å bli teleskopet som avslører liv på en annen planet. Men mest av alt er det en skikkelig nørde-oppgave, sier Poul Henning Kamp.

Artikkelen ble først publisert på Ingeniøren.dk

Kommentarer (2)

Kommentarer (2)