Software y cálculos

Procesar las inmensas candidades de datos producidas por el SKA requerirá superordenadores centrales de última generación capaces de trabajar a 100 petaflops (cien mil millones de millones de operaciones por segundos) de procesador bruto..

The Large Hadron Collider

El LHC: uno de los experimentos científicos más grandes de la historia. Crédito de la imagen: CERN

Al igual que en el LHC la potencia de los oredenadores que necesitará el SKA llevará a la tecnología a sus límites absolutos.

La potencia de los ordenadores requerida por el SKA será unas tres veces mayor que la del superordenador más potente que existía en 2013 y equivalente a la potencia de procesado de unos cien millones de ordenadores personales (PCs) de ese mismo año, o lo que es lo mismo, un poder de cálculo un millón de veces superior que el que tenían los ordenadores que enviaron al hombre a la Luna. Esto supone que el SKA superará al LHC en términos de necesidad de potencia de cálculo.

¿Pero por qué el SKA necesita una potencia de cálculo tan inmensa?

Las imágenes científicas y el procesado de señales para hacer imágenes radioastronómicas consta de varios pasos fundamentales,que deben completarse tan rápido como sea posible en los miles de telescopios conectados por miles de kilómetros de fibra óptica. Los ordenadores deben ser capaces de tomar decisiones acerca de objetos de interes, y eliminar los datos que no sean de interes científico, tales como las interferencias de los teléfonos móviles u otros aparatos por el estilo, incluso en las regiones remotas donde se situará el SKA.

 Los pasos clave incluyen:

  • Eliminar los datos que hayan sido corrompidos por interferencias o fallos en el sistema. Esto puede incluir interferencias de teléfonos móviles, o cualquier otra señal radio terrestre, por errores en el transporte de señal o problemas con el hardware.
  • Calibrar las señales de cada antena para eliminar los efectos de las variaciones instrumentales y las variaciones de la propagación de la señal de radio en la línea de apuntado. Con tantos telescopios, esto requiere enormes cantidades de potencia de procesado.
  • Transformar los datos en una cuadrícula rectangular que los radioastrónomos llaman el “plano u-v” – esto es parecido a interpolar unas cuantas medidas de altitud dispersas en un mapa regular para estimar las altitudes a cada intersección de la cuadrícula.
  • Un cálculo matemático llamado transformada de Fourier para convertir los datos en una imagen de los objetos del cielo.
  • Un cálculo posterior llamado “deconvolución de la función de punto del array” para quitar el equivalente radio a las líneas que aparecen alrededor de las estrellas brillantes en una imagen óptica.

Estos pasos se tienen que repetir para miles de frecuencias distintas, ya que mientras que los radiotelescopios del SKA trabajan a baja, media y alta frecuencia deben ser capaces de analizar todas las frecuencias en tiempo real.

Una tarea compleja

Cada paso conlleva un gran número de loops iterativos, en los que se refinan las estimaciones de los parámetros calculados, al mismo tiempo que se crean imágenes que combinen los datos observados y que se le proporcionaran al observador. Hace falta que la memoria vaya almacenando procesos intermedios mientras que se ejecutan los loops de cálculo. La instrumentación para hacer el procesado científico de los datos necesitará grandes subsistemas de almacenamiento de los datos. El resultado final del proceso de procesado de imágenes desde la señal recibida son las imágenes astronómicas que son distribuidas a los astrónomos y físicos de todo el mundo.

Muchos telescopios implican muchos ordenadores

Los superordenadores que se utilizarán para el SKA usarán millones de procesadores de CPU funcionando en paralelo. Para acelerar algunos tipos de procesado, los procesadores utilizarán hardware especializado. Uno de los retos del SKA a nivel de software será adaptar los algoritmos para operar en estos nuevos tipos de arquitectura de cálculo.

Muchos otros tipos de desarrollo de software harán falta. Estos incluyen:

  • Preparación de las observaciones y del planning. Ambas preparaciones son independientes del procesado de reducción de datos (la conversión de los datos brutos en datos científicos útiles). Así es como los telescopios del SKA convertirán la inmensa cantidad de datos brutos en dátos científicos útiles para los astrónomos.
  • Control y monitorización en tiempo real
  • Otros procesos críticos que se deben hacer en tiempo real, relacionados con la reducción y archivo de datos.

El proyecto también requerirá software middleware y herramientas para el desarrollo de software en construcción desde ahora hasta el momento en que los telescopios comiencen a funcionar, y continuará refinándose incluso una vez que estén en marcha.

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