- Onderzoek
- 23/09/2016
Blik op oneindig
De Square Kilometre Array (SKA), een gigantische radiotelescoop die in Zuid-Afrika en Australië wordt gebouwd, belooft het grootste wetenschappelijke instrument ter wereld te worden. Het hanteren van SKA’s ongeëvenaarde datastromen vereist een zo efficiënt mogelijke supercomputer. In het Drentse Dwingeloo, hart van de nationale radioastronomie, onderzocht promovendus Rik Jongerius hoe je dat het best aan kunt pakken.
De komende vier jaar verrijzen in de Zuid-Afrikaanse woestijn 133 schotels met een doorsnede van vijftien meter, en worden meer dan honderdduizend antennes geplaatst in de Australische outback. Samen vormen de bouwsels de eerste fase van de Square Kilometre Array (SKA), de grootste radiotelescoop op aarde. En dat is nog maar het begin; uiteindelijk is voorzien in zo’n tweeduizend schotels, gerangschikt langs spiraalarmen met een spanwijdte van honderden kilometers, en een miljoen antennes, variërend van enkele tientallen centimeters tot zo’n anderhalve meter hoog.
Samen zullen al deze radio-ontvangers een ongeëvenaarde blik bieden op het verre verleden van het heelal, meer dan dertien miljard jaar geleden; de SKA-telescoop (budget voor de eerste fase alleen: 650 miljoen euro) moet namelijk gevoelig genoeg zijn om straling op te vangen uit het eerste miljard jaar na de Big Bang, de periode waarin de eerste sterren zijn gevormd. Astronomen en kosmologen hopen hieruit te leren hoe sterren en sterrenstelsels ontstaan, wat de aard is van de mysterieuze donkere materie en energie, en wellicht zelfs of er buitenaards leven bestaat.
Een supercomputer met de rekenkracht van honderd miljoen pc’s is nodig
Om alle meetgegevens van de SKA-telescoop (maar liefst tienmaal het wereldwijde internetverkeer) te verwerken, is een supercomputer nodig met een rekenkracht van honderd miljoen pc’s: goed voor een astronomische miljard miljard (1018) berekeningen per seconde. Zo’n computer verbruikt nogal wat stroom, vertelt promovendus Rik Jongerius. “En die stroom is in de woestijn uiteraard niet zomaar beschikbaar, nog afgezien van de kosten.” De alumnus van TU/e-opleiding Electrical Engineering onderzocht daarom hoe het energieverbruik van het benodigde computersysteem zo laag mogelijk gehouden kan worden.
Jongerius voerde zijn promotieonderzoek uit in dienst van IBM in samenwerking met ASTRON, het Nederlands instituut voor radioastronomie. Vanuit de TU/e werd hij begeleid door promotor Henk Corporaal van Electronic Systems. “IBM heeft destijds de supercomputer geleverd voor LOFAR, een voorloper van SKA gebouwd door ASTRON. Zelf ben ik bij IBM Research in Zürich afgestudeerd en zo ben ik bij ASTRON in Dwingeloo terechtgekomen.” Daar dragen tientallen ingenieurs, astronomen en andere wetenschappers zorg voor het onderhoud van de bestaande Nederlandse radiotelescopen, en werken ze aan internationale radioastronomische projecten zoals SKA.
ASTRON is gevestigd op een bijzondere locatie, midden in Nationaal Park Dwingelderveld. “Tijdens de lunch zie je er nog wel eens een ree voorbij komen, en verdwaalde toeristen kloppen soms aan om te vragen naar het pannenkoekenhuis.” Toch is het niet eenzaam op de hei, legt Jongerius uit. “Er werken zo’n honderdvijftig mensen bij ASTRON. Alleen al binnen mijn project, DOME, zijn zo’n vijftien mensen betrokken, waaronder vier promovendi. Bovendien zitten twee deuren verderop de mensen die direct bij SKA betrokken zijn.” Dat is handig, legt hij uit, aangezien DOME formeel geen onderdeel van het SKA-project is. “We moeten dus zelf actief contact onderhouden met SKA en onze bevindingen bij hen promoten.”
Bij zowel SKA als voorloper LOFAR (een serie antennevelden met Drenthe als centrum, maar met uitlopers tot in Groot-Brittannië, Zweden en Polen) worden metingen aan de talloze antennes elektronisch gecombineerd, waardoor in de praktijk een meetgevoeligheid en nauwkeurigheid wordt behaald die overeenkomt met die van een veel grotere schotel. SKA heeft aan dat principe zijn naam te danken: de Square Kilometre Array zal het equivalent vormen van een schotel met een oppervlakte van meer dan een vierkante kilometer.
Het gaat om meer data dan bij versnellerinstituut CERN
We hebben het kortom over een gigantische detector die een dito stroom meetgegevens uit zal spuwen. Het gaat om meer data, aldus Jongerius, dan bij versnellerinstituut CERN in Geneve - toch ook geen kleine jongen. “Een belangrijk verschil is dat bij CERN de data in bursts binnenkomt, zodat ze tijd hebben om die data op te slaan. SKA zal continu meten over periodes van twaalf of vierentwintig uur”.
Noodgedwongen moet de datastroom van de megatelescoop daarom real-time worden gereduceerd: alleen de relevante gegevens worden voor latere analyse opgeslagen. “De eerste stap vindt plaats zo dicht mogelijk bij de meetstations; hier wordt de data van alle losse antennes bij elkaar opgeteld, bundelvorming wordt dat genoemd.” De gedachte is dat in de som van alle signalen de ruis grotendeels wegvalt, terwijl de daadwerkelijke radiostraling uit het heelal juist wordt versterkt. “Als je de data van honderd antennes zo combineert, verklein je de hoeveelheid data met een factor honderd.”
Maar dat is nog maar het begin. De gereduceerde datastroom gaat vervolgens naar de centrale signaalprocessor, waar alle data wordt samengevoegd en naar correlaties tussen verschillende meetstations wordt gekeken, alvorens de data terechtkomt bij de science data processor, waarmee bijvoorbeeld afbeeldingen van de sterrenhemel worden vervaardigd.
“Uiteindelijk zou een kleine zonnecentrale genoeg energie moeten leveren”
Aan Jongerius de taak om te analyseren hoe de benodigde programmatuur zich gedraagt op verschillende processorarchitecturen, zoals hij het zelf formuleert. De ene computerchip is namelijk de andere niet, legt hij uit. “In principe heb je de keuze uit wel duizend verschillende soorten chips, en welke het best presteert, hangt af van welke bewerkingen ze precies moeten uitvoeren.” Voor het eerste stuk - de bundelvorming - is het rendabel om de chips op maat te laten maken, aldus de promovendus. In die fase moet namelijk zo vaak dezelfde bewerking worden gedaan, dat hiervoor geoptimaliseerde chips die taak tot wel achtmaal zo energiezuinig kunnen uitvoeren.
In het oorspronkelijk door SKA voorgestelde ontwerp zou het energieverbruik in 2018 neerkomen op zo’n 120 megawatt, zo volgde uit de analyse. Dat komt overeen met een kwart kolencentrale - onacceptabel volgens Jongerius. “Mede op basis van mijn bevindingen is er daarom voor gekozen om iets bescheidener te beginnen. Dan kom je op 30 megawatt met de huidige technologie, maar moet nog wel een stuk zuiniger kunnen.” De ingenieur krijgt in ieder geval nog tot medio 2017, wanneer zijn contract met IBM afloopt, de tijd om naar een zuinigere oplossing te zoeken. “Uiteindelijk zou je aan een kleine zonnecentrale genoeg moeten hebben voor de eerste fase. Dat is een uitdaging, maar niet onmogelijk.”
Discussie