На этой неделе произошло важное научное открытие: была получена первая фотография черной дыры. В рамках данной статьи мы не будем погружаться в научную тематику и астрономию, а поговорим о вычислительных усилиях и мощностях, которые ушли на создание вроде бы простой фотографии.
Но сначала позвольте дать астрономические подробности: фотография была получена с помощью проекта Event Horizon Telescope, на ней запечатлено изображение тени черной дыры в галактике M87 в скоплении Девы на расстоянии 55 млн. световых лет от Земли, масса звезды составляет 6,5 млрд. Солнц. Гравитационный радиус черной дыры составляет порядка 20 млрд. километров. Но, несмотря на вроде бы гигантский размер, фотографию объекта снять сложно из-за еще более гигантского расстояния. Представьте, что вам нужно из Санкт-Петербурга сфотографировать песчинку на пляже Владивостока.
Для повышения разрешающей способности проект Event Horizon Telescope опирается на несколько телескопов. А именно:
- NOEMA (Northern Extended Millimeter Array), Франция
- IRAM, Испания
- Greenland Telescope Project, Гринландия
- ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), Чили
- LMT (Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano), Мексика
- SMT (Submillimeter Telescope), США
- KPNO (Kitt Peak National Observatory), США
- CARMA (Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy), США
- CSO (Caltech Submillimeter Observatory), США
- SPT (South Pole Telescope), Антарктида
Все эти телескопы отсылали снимки в одно и то же время при условии хорошей погоды во всех местоположениях. Уже одно это условие говорит о сложности задачи.
Но перейдем к интересующим нас вычислительным подробностям. Каждый их телескопов был оснащен сверхбыстрыми регистраторами Mark6. Данные с блока ROACH Digital Backend (RDBE) записывались на регистратор со скоростью 16 Гбит/с. Блок RDBE располагался на телескопе, к нему были подключены соответствующие датчики.
Для хранения данных регистратор Mark6 использует 32 жестких диска, распределенных по четырем модулям с восемью HDD в каждом. Поскольку сами телескопы опираются на массив нескольких антенн, а данные записываются с избыточностью, в каждой локации запись велась со скоростью 64 Гбит/с на четыре регистратора Mark6. Что дает нам не меньше 1.280 жестких дисков неизвестной емкости.
При скорости записи 64 Гбит/с и времени наблюдения пять дней (впрочем, наблюдения шли не 24 часа в сутки, из-за вращения Земли не все телескопы могли наблюдать объект на протяжении суток), мы получаем огромный массив данных. Если принять наблюдения на протяжении 12 часов со скоростью 64 Гбит/с, то мы получим объем данных 1.728.000 Гбайт или около 1,7 Пбайт.
Затем жесткие диски из регистраторов Mark6 были доставлены в Институт Макса Планка в Бонне и в обсерваторию Хейстек в Вестфорде (Массачусетс, США) для дальнейшей обработки. В случае антарктического South Pole Telescope доставки жестких дисков пришлось ждать несколько месяцев. Данные затем анализировались и обрабатывались с помощью коррелятора DiFX. В случае Института Макса Планка использовалась следующая аппаратная конфигурация:
- 68 вычислительных узла: каждый оснащен двумя процессорами по 20 ядер
- 1.175 Тбайт дискового пространства
- Интерконнект 56 Gbps InfiniBand
- 48 Тбайт дискового пространства для данных корреляции
- 40 Тбайт дискового пространства для резервирования данных
- 6 точек подключения к регистраторам Mark6 (и еще 15 для старых Mark5)
- Подключение 1 Гбит/с к Интернету
К сожалению, остается неизвестным, какие именно процессоры использовались, и какое время ушло на расчет первой фотографии черной дыры.
Но объемы данных и серверная инфраструктура, которая потребовалась для их обработки, наглядно указывают на приложенные усилия. Кроме черной дыры в галактике M87 проект Event Horizon Telescope изучает и другие черные дыры. Но работа над ними еще не закончена.
Из-за массы M87 и малоподвижности объекта данные удалось обработать сравнительно легко. Кто знает, какие открытия нас ждут в будущем.