BIG BANG und BIG DATA — dem Urknall auf der Spur
ASTRON und IBM erforschen EXASCALE SYSTEME.
Das niederländische Institut für Radioastronomie ASTRON und IBM lancieren ein fünfjähriges Forschungsprojekt, um extrem 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 im Jahre 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.
Gigantische Datenvolumina
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.
„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.
„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.
Innovative Technologien
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.
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.
Wissenschaft und Wirtschaft
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.