В 2024 году в Чили будет запущен Европейский чрезвычайно большой телескоп. Он, помимо всего прочего, будет захватывать изображения в видимом оптическом диапазоне.
Одно из наибольших препятствий при разработке подобного телескопа заключается в компенсации турбулентности атмосферы. Она возникает из-за разницы в температуре поверхности планеты и воздуха при смене дня и ночи. Поэтому телескопы многие годы используют адаптивную оптическую систему. Но чтобы адаптивная система работала, она должна распознавать турбулентности. Как раз для определения турбулентностей в ночное небо направляется лазерный луч мощностью 20 Вт, после чего определяются отражения. Луч достигает высоты 90 км.
Определение турбулентностей атмосферы и адаптация оптической системы должны выполняться, в лучшем случае, в реальном времени. Чем крупнее телескоп, тем лучшее разрешение снимков он дает, тем сложнее адаптировать его к изменениям турбулентности, поскольку адаптации должны быть более точными.
Для Европейского чрезвычайно большого телескопа (E-ELT) разработана адаптивная оптическая система MOAO (Multi-Object Adaptive Optics). Зеркало в телескопе не цельное, а состоит из 20 отдельных зеркал, к каждому подведено более 5.000 приводов адаптивной оптической системы. В общей сложности мы получаем более 100.000 приводов, которыми необходимо управлять. Для определения турбулентности у столь крупного телескопа используются эталонные звезды (вместо упомянутого выше лазера). В результате вычислительная нагрузка для коррекции оптической системы в реальном времени увеличивается экспоненциально.
Хотя телескоп E-ELT будет запущен только в 2024 году, симуляции контроллера в реальном времени выполняются на нынешней аппаратной базе. Сначала производится процесс обучения, для адаптивной оптической системы задается грубая регулировка, поскольку она позволяет примерно оценить турбулентность. Затем происходит уже более детальная регулировка. Процесс обучения выполняется на сервере NVIDIA DGX-1 с восемью Tesla P100 и занимает около четырех минут.
Для определения турбулентности атмосферы у телескопа E-ELT будет использоваться матрица 100.000 x 100.000 точек. Информация с точек будет отслеживаться в реальном времени, после чего адаптивной оптической системе будут отдаваться необходимые команды. Для обработки столь крупной матрицы точек используется тайловый рендеринг или, как его называет NVIDIA, тайловое кэширование (tiled caching), которое позволяет вычислить компенсацию турбулентности. Вместо прямой обработки матрицы 100.000 x 100.000 точек она разделяется на несколько тайлов. Все это позволяет выполнить расчеты параллельно, существенно ускорив их на современном "железе". Число тайлов зависит от аппаратных возможностей "железа", то есть доступны ядер и/или потоковых процессоров.
Тесты с нынешним поколением аппаратного обеспечения Intel и NVIDIA показали слишком долгое время расчетов. В случае DGX-1 оно сокращается до 25 с. За это время происходит полный перерасчет видимого поля для компенсации турбулентности. Затем контроллеру придется вносить лишь небольшие изменения.