Wissen
Voller Datendrang
Von Walter Jäggi. Aktualisiert am 03.04.2012 8 Kommentare
Das SKA-Teleskop
Standortwahl ist fällig: Für die Erforschung des Weltalls im Bereich der Radiowellen plant eine Gruppe von acht Ländern, darunter die Niederlande, Südafrika, Australien und Neuseeland, ein riesiges Antennennetz. SKA, das Square Kilometre Array, soll 50-mal empfindlicher und 10 000-mal schneller sein als heutige Radioteleskope. Als Standort kommen nur unbesiedelte Gebiete infrage. Es stehen zwei Areale zur Wahl, in Südafrika und in Australien/Neuseeland. Die leitenden Gremien der SKA-Organisation tagen heute Dienstag und morgen Mittwoch in Amsterdam. Ob der von den möglichen Standortländern ersehnte Entscheid fällt, ist unsicher, vermutlich gehen die Diskussionen um das 1,5 Milliarden Euro teure Vorhaben noch weiter.
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«Das ist Big Data im Extremfall», sagt Ton Engbersen, der seit bald 30 Jahren bei IBM (IBM 208.65 0.51%) Research in Rüschlikon an der vordersten Forschungsfront arbeitet. Das SKA-Teleskop, das aus 3000 einzelnen Antennenkomplexen besteht, werde etwa doppelt so viele Daten produzieren, wie im Internet verkehren. Und zwar Tag für Tag. Es geht um die Grössenordnung 1 Exabyte, das heisst eine Milliarde mal eine Milliarde Bytes. Damit diese astronomische Datenmenge verarbeitet werden kann, müssen Computer im Exascale-Format entwickelt werden, hundertmal leistungsfähiger als die heute schnellsten Modelle.
SKA steht für Square Kilometre Array. Einen Quadratkilometer gross wird die Gesamtfläche des elektronischen Fernrohrs sein, das in einer Wüste entweder in Australien oder in Südafrika gebaut werden soll. Ein Radioteleskop arbeitet nicht mit sichtbarem Licht, sondern mit Wellen in ganz anderen Frequenzbereichen. Damit kann es weiter ins All vordringen und sich Zeugen des Urknalls nähern, sogar der Zeit, als das Universum noch dunkel war.
Lange Wellen, grosse Antennen
Das Teleskop ist ein System von Antennen, welche auf die gesuchten Wellenlängen abgestimmt sind. Interessant für die Urknall-Forschung sind die langen Wellen oder anders gesagt die niedrigen Frequenzen. Um diese in einer aussagekräftigen Auflösung aufzufangen, braucht es sehr grosse Antennen, denn zwischen Wellenlänge und Antennenausmassen gibt es einen direkten Zusammenhang.
Bautechnisch gibt es Grenzen für den Bau von Teleskopen. Die grössten Radioteleskope bestehen heute nicht mehr aus einer Schüssel, sondern aus einer Anzahl von einzelnen Antennen, die sich an verschiedenen Standorten befinden. Die dezentral gesammelten Signale werden dann per Computer so zusammengefasst, als wären sie von einer einzigen Antenne erfasst worden. So wird ein Riesenteleskop simuliert.
SKA wird ein Projekt der Superlative: 3000 Einzelantennen, zum Teil in einer Gruppe, zum Teil verteilt in mehreren Hundert Kilometern Abstand, fangen die Signale aus dem All auf. Das System wird so viele Glasfaserkabel benötigen, dass man damit zweimal die Erdkugel umwickeln könnte. Für die Auswertung wird die Rechenkapazität einer Milliarde PC benötigt.
3000 Antennen produzieren 60 Gigabits pro Sekunde
Bereits im Betrieb ist als Vorläufer das System Lofar, das von den Niederlanden aufgebaut wurde. 40 Antennen stehen in den Niederlanden, neun in den Nachbarländern, in Deutschland zum Beispiel in Hamburg und im bayrischen Garching. Der zentrale Rechner für das ganze Netz steht in der Universität von Groningen, die Anlage des Typs Blue Gene/L wurde von IBM entwickelt und zählt zu den schnellsten Rechnern der Welt.
Der Lofar-Supercomputer muss 300 Gigabits pro Sekunde verarbeiten, 300 Milliarden Datenelemente. Beim SKA wird jede der 3000 Antennen 60 Gigabits pro Sekunde produzieren. Damit man mit solchen Mengen überhaupt umgehen kann, muss man die Informationen schrittweise verdichten, ehe sie weiterverarbeitet werden können.
Neue Ansätze für grünes Supercomputing
Das radioastronomische Institut Astron in den Niederlanden und IBM-Research in Zürich haben zusammen das Projekt Dome gegründet – der zweithöchste Berg der Schweiz diente als Namenspate. Mit einem Aufwand von 40 Millionen Franken werden hier in den nächsten Jahren die nötige Hardware und Software entwickelt, um die SKA-Daten zu bewältigen.
Ein Ziel der IBM-Forscher ist es, den Datenfluss im Computer zu beschleunigen. Die rechnenden Chips sind zwar schnell, aber die Verbindungen innerhalb der Maschine sind langsam und bilden einen Engpass, der immer mehr ins Gewicht fällt. Dabei spielt auch der Energieverbrauch eine grosse Rolle.
Marco de Vos, Direktor von Astron, hofft, man werde dank dem Projekt Dome auch Erkenntnisse für das «grüne Supercomputing» erhalten, die über die Anwendung in der Astronomie hinaus wertvoll sein werden. Bei IBM wird an neuen Computerarchitekturen und neuen Materialien geforscht, die möglicherweise im Projekt Dome ihre ersten Einsätze finden werden.
Versteckt im Rauschen
«Dome ist eines der datenintensivsten wissenschaftlichen Projekte, die jemals geplant wurden», sagt Ton Engbersen. Neue Dimensionen haben nicht nur die Anforderungen an die Geschwindigkeit des Systems, auch der Speicherbedarf sprengt die Grenzen. Selbst nach der Verdichtung und Analysierung der Rohdaten müssen pro Jahr bis zu 1500 Petabytes gespeichert werden, das sind hundertmal so viele Daten, wie das Kernforschungszentrum Cern von den Experimenten seines LHC-Beschleunigers speichern kann.
Warum braucht es derartige Datenmengen, damit die Astronomen am Ende ein Bild eines sehr weit entfernten Objektes im Weltall erhalten? «Das Problem ist das Rauschen», erklärt Engbersen. Die interessierenden Signale sind extrem schwach und müssen aus einer gewaltigen Masse anderer Signale, welche die Antennen empfangen, aussortiert werden. Die Daten sind zudem unstrukturiert, wie es die Informatiker nennen, sie müssen in ein verarbeitbares Format gebracht werden.
Beginn einer neuen Ära
«Big Data», Handhabung extremer Datenmengen, sei einer der grossen Trends in der Computerwelt, sagt Matthias Kaiserswerth, der Direktor des IBM-Forschungszentrums in Rüschlikon. Nicht nur Astronomen, auch Genforscher, Mediziner oder die Betreiber von Telekommunikationsnetzen und «smarten» Stromnetzen wollen immer schnellere Rechner und immer grössere Speicher. Eines der Rezepte: Die Analyse der Daten muss sofort beginnen, während sie erzeugt werden, damit das Resultat von Entscheidungen im Computer innert Millisekunden vorliegt.
Bei genügender Arbeitsgeschwindigkeit und entsprechenden Speichergrössen können die Computer dann auch neue Aufgaben in Angriff nehmen. Sie sollen lernfähig werden und nicht mehr auf Programmierer angewiesen sein, Bilder und natürliche Sprache verstehen und aus den Informationen selber Zusammenhänge herstellen. Wenn die Entwicklung weitergehe wie bisher, soll es innert zehn Jahren so weit sein. «Nach dem Computerzeitalter beginnt jetzt eine neue Ära, die Smart Systems Era», sagt Kaiserswerth.
(Tages-Anzeiger)
Erstellt: 02.04.2012, 16:52 Uhr
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Danke für den interessanten Artikel. Schön zu sehen, dass es immer noch Menschen gibt, die sich an solche Herausforderungen herantrauen. Die Erweiterung des menschlichen Wissensschatzes ist das höchste Gut. Dass dafür ein gewisser Aufwand nötig ist, liegt auf der Hand. Antworten
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