SKA:借助AI,上九天揽月

2020-01-17 16:10:23

国际大科学工程——平方公里阵列射电望远镜(SKA)是国际天文界计划建造的世界最大综合孔径射电望远镜,涉及天文、天线、数据处理与传输等多个高新技术与基础领域。项目总占地面积将超过100万平方米,近期已在澳大利亚西部和南非启动初步部署。人类解答宇宙及其起源问题的能力将大幅提升, 而人工智能(AI)将在其中发挥关键作用。

我们能获得哪些新知?

自20世纪30年代Karl Jansky首次探测到来自太空的无线电信号以来,天文学家就一直利用从各种天体发出的无线电波探索宇宙。这些电波无法用肉眼观测,但我们能够利用射电望远镜接收来自数十亿光年外的电波并将其转化为图像。射电天文学辅助我们获得了许多令人惊叹的天文学发现,如脉冲星、系外行星和宇宙微波背景。

SKA会将这些成就推向全新的高度。SKA绵延于南非和澳大利亚西部尘土飞扬的广阔平原。通过汇集众多天线技术,SKA进行太空测绘的速度比目前最先进的射电天文设施快数百倍。

SKA组织总干事Philip Diamond称:“对于SKA来说,太阳从来不会落山。”SKA组织由13个成员国组成,来自约20个国家的约100个组织参与了该项目的设计和开发。Diamond认为SKA这种雄心勃勃的项目,必须依靠各国政府、工程师、科学家和企业,怀抱共同目标一起努力才能获得成功。

建造SKA的意义十分深远。Diamond表示:“建造SKA是为了进行科学研究,探究宇宙的起源、恒星与星系的起源、重力的本质等问题。”射电天文学改变了科学家们对物理学的理解,甚至对爱因斯坦的相对论提出了挑战。

Diamond称人们常把SKA称为“时间机器”。SKA望远镜完工后,将有助于人类研究更久远的问题,他表示:“我们能够利用射电望远镜一路追溯到大爆炸时期,研究宇宙中最普遍存在的氢元素。我们将穿越时光,回到宇宙最初形成时的形态,然后观察宇宙如何演化,了解最早期的恒星和星系如何形成,以及宇宙是如何变成如今这幅景象的。”

即使是对天文学家来说,宇宙也还有太多的未解之谜。Diamond说:“这让我们天文学家有些尴尬,因为我们对宇宙构成的了解仅有4%到5%左右。”探索未知就是这个项目背后的主要推动力。

例如,有一种现象叫做快速射电暴,Diamond表示:“快速射电暴这一现象在整个天空中反复出现,每次爆发仅维持一到两毫秒,威力极大。我们尚不清楚这种现象出现的原因,但SKA望远镜能够观测到成千上万次此类现象,无论哪里出现都能捕捉到,这有助于我们了解这种现象的本质。”

技术创新的源泉

射电天文学是探测无线电辐射并深入研究宇宙的天文学领域,这一概念看似非常陌生。事实上,除了在《超时空接触》这部电影里,许多人甚至从未听说过射电天文学这个词,但它离我们的生活比想象中要近得多。Diamond表示:“许多人不了解,我们每天使用的Wi-Fi技术就是射电天文学家的发明。”实际上,Wi-Fi是澳大利亚射电天文学家在处理来自黑洞的信号时发明的。这只是我们在日常生活中直接受益于射电天文学成果的一个例子。

射电天文学在通信、全球定位卫星和医疗影像技术等领域同样至关重要。Diamond还认为射电天文学在推动数据可视化、人工智能和机器学习的发展等方面潜力巨大。

大数据需要AI

SKA项目规模庞大,无疑会面临巨大的技术挑战。为避免信号受到来自城市等建成区的无线电波干扰,必须将望远镜阵列建设在偏远、难以到达的区域。而随之而来的是第一个挑战是:如何解决硬件设施供电问题。Diamond说:“我们使用的设备必须具有高节能性,这是一大挑战。”

SKA不仅占地规模庞大,它所处理的数据量也十分巨大。SKA探索宇宙的精细程度也是史无前例的,并且处理速度比现有任何同类设施要快数百倍。SKA的中央计算机算力与1亿台个人电脑的算力相当。Diamond称:“望远镜产生的原始数据量大约相当于整个互联网中流动的总数据量的6倍。”

SKA的数据流量将达到每秒Pb(即千万亿比特)级,比目前全球互联网流量还要高。一期工程期间将产生600 Pb的数据存档,甚至超过了Facebook和谷歌这样的互联网巨头。处理如此海量的数据绝非易事,而华为的超级计算和AI技术此时便可堪大用。Diamond表示:“华为与我们上海天文台的同事合作开发了首个SKA区域中心。这是一个高性能计算系统的原型,利用AI技术为天文学家处理数据,处理速度大大高于以往。”Diamond认为要快速处理如此海量的数据,AI至关重要。只有借助SKA区域中心和华为这样的合作伙伴才能“充分利用SKA探索科学成果”。

华为和上海天文台已经利用SKA先导望远镜产生的数据结合机器学习技术,解决脉冲星搜索和射电星系探测等天文学问题,双方的合作已结出累累硕果。

中国对SKA的贡献

中国作为SKA创始国之一,正筹建区域数据中心,并开发反射面天线。上海天文台SKA团队负责人安涛表示,SKA具有极高的灵敏度、广阔的视场、超高测量速度和超高分辨率,因此将产生大量的观测数据。他还表示,SKA数据的传输、存储、读写、计算、管理、存档和发布,将对信息和计算领域的技术提出巨大挑战。

中国的SKA技术团队将与信息、通信和计算机行业合作,应对SKA大数据的挑战。安涛称:“这将带来重大科学发现并有助于促进中国经济发展。 ”

Diamond还表示:“建造巨型射电望远镜,是为了收集尽可能多的信息,获得海量数据。”他表示,SKA上海中心在开发数据处理解决方案方面扮演着“示范性角色”,他们正与华为合作将AI运用于数据处理。

合作是关键

Diamond强调,如此大规模的项目不仅需要与政府和高校合作,行业伙伴的支持也必不可少。他表示:“高校不乏人才,他们能协助我们解决一部分问题,但很多问题还是要靠业界。我们需要来自业界的创新,借助业界开发的技术打造系统和解决方案,将其部署在沙漠和超算中心,从而帮助我们处理海量数据。因此我们与业界保持着紧密的合作。”

虽然SKA项目能孵化出哪些新技术还是未知数,但肯定的一点是,如此雄心勃勃的项目不仅需要与政府和高校合作,还需要与驱动最新技术发展的业界伙伴合作,而AI必将在其中发挥关键作用。