既能仰望星空又能融入產業

■本報通訊員 宋琪 記者 沈春蕾

天文界流傳著這樣一句話：「建設天文望遠鏡是一個不斷縮小夢想的遊戲。」在中國科學院自動化研究所有這樣一支研究團隊，他們參與研製的高帶寬專用實時計算平台已應用於500米口徑球面射電望遠鏡FAST，正和FAST共赴「問天」之旅。

日前，該團隊負責人、自動化所國家專用集成電路設計工程技術研究中心（以下簡稱集成中心）研究員蒿傑告訴《中國科學報》記者：「可以說，我們為FAST量身打造了專屬的數據計算平台。」

打造FAST專屬計算平台

2016年9月25日，FAST在貴州省平塘縣的喀斯特窪坑中落成啟用，並開始接收來自宇宙深處的電磁波。FAST搭載的高帶寬專用實時計算平台是國際首台3GHZ@12bit以上高帶寬數據採集—分析—直存一體化平台，在天文觀測領域具有重要意義。

作為世界第一大單口徑射電望遠鏡，FAST的主要工作是接收來自宇宙的海量信息。蒿傑介紹，高帶寬專用實時計算平台肩負著兩個任務：一是如何快速有效獲取、存儲這些信息；二是如何計算這些數據，及時從海量數據中獲取有用信息，產出有用的科學成果。

據專家估算，FAST前5年總體數據存儲需求為20PB，是「天河二號」超級計算機存儲容量的1.6倍。蒿傑指出：「不僅如此，FAST 3GHZ帶寬的高頻率覆蓋範圍在為科學研究帶來便利的同時，也對後端計算平台性能提出了極高的要求。」

他進一步解釋，以FAST重要任務之一——快速射電爆探測為例，要在浩如煙海的數據中找到持續時間不到一秒鐘的射電信號，對平台的計算能力、高精度數據同步能力、高帶寬數據處理及直接存儲能力是極大的考驗。

此外，望遠鏡使用周期較長，可進行研究的科學目標較多，不同的研究目標需要不同的配置。這要求後端計算平台具備靈活的可配置性和擴展性。

針對FAST計算平台的這些「高」要求，蒿傑帶領研究團隊在計算節點架構、低延時高可靠交換網路、可配置IO平台、大型系統整體互連與高效存儲結構方面提出了關鍵性創新架構。

團隊自主研發了高速數據交織採集模塊、高帶寬數據綜合變頻—並行分路模塊、可局部互連的異構實時加速模塊、高帶寬數據直存模塊、管控模塊以及配套軟體演算法，實現了高實時計算，差異化傳輸下的多源異構海量數據存儲、交換及管理，智能化開發及系統管理等。

目前，FAST高帶寬專用實時計算平台已初具規模，建成了數據存儲與處理集群，具備高速數據直存功能。已部署的數據平台包括譜線數據處理平台、脈衝星數據處理平台、遠程數據處理與同步軟體等。

該系統經過FAST全系統協調觀測，已經得到第一批科學數據，整體運行良好。當記者問及這個平台將會產生什麼樣的科學成果時，蒿傑的回答是：「希望在不久的將來，脈衝星數據處理平台能為我國新一代的脈衝星導航作出貢獻、用我們的譜線數據處理平台能夠發現來自星際的有機物分子。」

天文射電領域的認可

高性能數字信號處理器研製是自動化所集成中心的傳統優勢。2011年，大型信號與數據處理整機系統設計開始結緣天文射電領域，集成中心在新疆承擔了國家天文台「天籟」陣列望遠鏡後端計算平台的設計，為暗能量射電探測提供了有力支持。

蒿傑說：「作為該領域首台國產設備，它擺脫了國內大型干涉探測陣列長期使用國外產品的現狀，在可支撐採樣精度及系統計算功耗比方面甚至高於國外產品。」

在這個項目中，蒿傑團隊創新性地提出了局部計算交換一體化可配置處理單元的概念，解決了大規模全相關處理的數據滯阻問題。「其中，平台架構設計充分考慮了系統的可擴展性和可配置性，僅通過調整系統子卡與尾板，就滿足了用戶設計指標及方案的多次更改，沒有新增任何開發成本」。

接下來幾年裡，團隊在國內天文射電專用計算領域越做越專業，先後參與了位於新疆的國家天文台宇宙第一縷曙光探測21cm陣列（21CMA）、南山25m射電望遠鏡等多個項目，他們研製的處理平台被美國相中，入選美國在南非建設的HERA大型射電探測陣的實時中央信號處理單元。

國際知名的天文數字後端研發組織CASPER已將蒿傑團隊的產品作為其下一代處理設備進行推廣。蒿傑團隊還作為我國CSP（中央信號處理）工作包的牽頭人，加入了國際大科學工程SKA（Square Kilometre Array），承擔核心處理集群的研製。

蒿傑欣喜地發現，自己團隊的工作得到了國際天文射電研究領域的認可。

大數據處理不再是難題

通過六年多的不斷積累，蒿傑團隊已實現天文信號採集和核心計算模塊的自主知識產權國產化，為我國大型望遠鏡工程建設提供了核心技術支持。

成績背後是團隊艱辛的付出。射電望遠鏡大多建設在人跡罕至、自然條件惡劣的地方，「從白雪皚皚的新疆大紅柳峽，到氣溫高達50攝氏度的南非小鎮，團隊成員長期駐紮在現場進行聯調聯試，身體經受著巨大考驗。」談及這些，蒿傑笑著說：「條件雖然很艱苦，但是我們也獲得了回報，還是很值得。」

既能仰望星空，又能融入產業，蒿傑所說的「回報」是一系列專用領域的大數據處理技術。

通過國家天文台大科學裝置FAST實際建設中的歷練，蒿傑團隊積累了完整的創新型科學數據中心建設經驗，在高實時、可配置計算節點架構、差異化傳輸下的多源異構海量數據高效存儲、交換、智能化開發及系統管理、大數據環境下的設備自閉環分析及配置方面形成了完整的技術體系，可以為有專用領域數據處理需求的行業提供有力支撐。

目前，蒿傑團隊已經和電力科學研究院、南瑞集團、工程物理研究院等單位進行合作，在大型電網安全計算、電力電子模擬、能源系統模擬等領域進行產品推廣應用。

在蒿傑研究團隊成員的心裡有一個共同的夢想：讓快速精準的大數據處理不再成為難題。

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