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Una SKAtenata potenza di calcolo! In evidenza

Una vista simulata delle parabole di SKA
Una vista simulata delle parabole di SKA Crediti: SKA / Top500.org

La realizzazione del grande progetto "Square Kilometer Array" è già iniziata nella sua prima fase e porrà sfide formidabili anche in termini di trasmissione, elaborazione e archiviazione dei dati raccolti.

Nota: Questo articolo è una traduzione quasi integrale di quello pubblicato da Michael Feldman sul sito Top500.org. [Alcune precisazioni sono state aggiunte dal sottoscritto tra parentesi quadre.]

 Martedì prossimo i partecipanti alla conferenza SC17 di Denver, dedicata al "super-calcolo" (HPC ovvero High Performances Computing), approfondiranno la loro conoscenza del progetto Square Kilometer Array (SKA), uno dei più ambiziosi sforzi di ricerca internazionali mai intrapresi. Abbiamo parlato con i responsabili Phil Diamond e Rosie Bolton su ciò che il progetto implica e su quali tipi di risorse di calcolo saranno necessarie per ottenere risultati scientifici. 

 Diamond, che è il direttore generale del progetto, definisce SKA come un radiotelescopio di nuova generazione. Sarà anche il più grande osservatorio di questo genere al mondo e, come dice il suo nome, si estenderà  su circa un chilometro quadrato [qui si parla solo della superficie effettiva di raccolta delle onde radio, dal momento che il territorio su cui si estenderà l'interferometro sarà molto più vasto, su due diversi continenti!]. I radiotelescopi saranno collocati in Sudafrica e in Australia, che gestiranno i propri array. Per la prima fase del progetto, l'array australiano sarà composto da più di centomila antenne [dipoli per le basse frequenze], che cresceranno fino a un milione di antenne nella seconda fase. Nel frattempo, quasi 200 parabole, di cui 64 già in costruzione, saranno installate in Sudafrica [destinate a frequenze più elevate e con diametro sui 12 metri]. La fase 1 del progetto SKA dovrebbe essere completata nel 2023, mentre la fase 2 per il 2030. Secondo Diamond, anche l'array di fase uno sarà molto più sensibile di qualsiasi sistema esistente, consentendo di rilevare emissioni molto più deboli coprendo un'area più grande del cielo, incrementando una qualità nota come "velocità di rilevazione". L'array australiano sarà otto volte sensibile come LOFAR, che è attualmente il miglior strumento di questo tipo digitare nel mondo, e sarà anche in grado di eseguire la scansione del cielo 135 volte più velocemente. 

 La grande sensibilità permetterà a SKA di osservare l'idrogeno intergalattico fino all'"alba cosmica" [ricombinazione dell'idrogeno], poche centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang. Questo, a sua volta, consentirà di determinare come sono nate le prime stelle, come si sono unite nelle prime galassie e, in ultima analisi, come queste galassie si sono evolute in quello che vediamo oggi. L'array sarà anche in grado di utilizzare pulsar come orologi naturali per studiare il passaggio di onde gravitazionali attraverso il nostro sistema solare. Inoltre, SKA sarà in grado di cercare grandi molecole organiche, come i costituenti di base degli aminoacidi e degli acidi nucleici, che porterebbero ad approfondire le conoscenze sull'origine della vita. "Quando la gente vuole un riassunto, dico che stiamo andando a studiare la storia di tutto l'universo", ha detto Diamond. Questo livello di conoscenza, tuttavia, crea alcune una sfida reale quando si tratta di elaborare i dati. Secondo Rosie Bolton, ricercatrice SKA regionale, ciascuno degli strumenti produrrà oltre un petabyte di dati al giorno [1015 bytes], e questo condiziona la progettazione e la collocazione dei supercomputer che dovranno gestire una simile mole di dati.

 In particolare, i due supercomputers che dovranno fare una prima elaborazione dei dati verranno installati nei pressi degli strumenti stessi: uno a Cape Town (Sud Africa meridionale), l'altro a Perth (Australia occidentale). Bolton nota che questa è la prima volta in cui un radiotelescopio viene direttamente interfacciato con un supercomputer, in analogia con quello che accade nel caso dei supercomputer che elaborano in tempo reale gli andamenti di mercato di Wall Street. Come in quel caso, anche i sistemi di elaborazione SKA dovranno essere ottimizzati in termini di larghezza di banda, memoria, Input/Output e connessioni per evitare ritardi nel flusso di informazioni, con conseguente perdita di dati preziosi.

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Un'altra ricostruzione artistica di come apparirà una porzione dei ricevitori SKA (stavolta quelli a bassa frequenza)

 Anche se la progettazione dettagliata di un simile sistema è ancora in corso d'opera, Bolton ha anticipato che verranno utilizzate tecnologie "exascale" [l'attuale frontiera del supecalcolo]. In particolare, la prima versione del sistema dovrebbe raggiungere una potenza di elaborazione vicina a un quarto di exaflop [ovvero 250 milioni di miliardi di operazioni al secondo, quasi il triplo rispetto al primato attuale detenuto dal supercomputer cinese Sunway TaihuLight di cui abbiamo parlato in varie occasioni]. Anche la memoria impiegata probabilmente sarà i svariati exabytes [dove 1 exabyte = 1018 bytes ovvero 1 miliardo di GB!].

 Nel dettaglio, entrambi i sistemi dovranno elaborare "grafi" decisamente grandi e complessi, ognuno contenente 400 milioni di punti. In seguito, una serie di centri di elaborazione HPC regionali sparsi per il globo effettueranno ulteriori analisi "in differita" con supercomputers che riceveranno i dati su linee ad altissima velocità e ne ricaveranno modelli virtuali. Si prevede che SKA sarà operativo per una cinquantina d'anni; in questo lungo lasso di tempo l'hardware di elaborazione subirà svariati aggiornamenti (fondi permettendo) e anche i vecchi dati verranno comunque ri-elaborati da nuovi software più potenti per ricavarne nuove scoperte, che adesso non riusciamo neanche ad immaginare.

 

Riferimenti:
https://www.top500.org/news/square-kilometre-array-project-takes-center-stage-at-sc17/
https://it.wikipedia.org/wiki/Square_Kilometre_Array

 

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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