SKA:借助AI,上九天攬月

2020-01-17 16:10:23

國際大科學工程——平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)是國際天文界計劃建造的世界最大綜合孔徑射電望遠鏡,涉及天文、天線、數據處理與傳輸等多個高新技術與基礎領域。項目總占地面積將超過100萬平方米,近期已在澳大利亞西部和南非啟動初步部署。人類解答宇宙及其起源問題的能力將大幅提升, 而人工智能(AI)將在其中發揮關鍵作用。

我們能獲得哪些新知?

自20世紀30年代Karl Jansky首次探測到來自太空的無線電信號以來,天文學家就一直利用從各種天體發出的無線電波探索宇宙。這些電波無法用肉眼觀測,但我們能夠利用射電望遠鏡接收來自數十億光年外的電波并將其轉化為圖像。射電天文學輔助我們獲得了許多令人驚嘆的天文學發現,如脈沖星、系外行星和宇宙微波背景。

SKA會將這些成就推向全新的高度。SKA綿延于南非和澳大利亞西部塵土飛揚的廣闊平原。通過匯集眾多天線技術,SKA進行太空測繪的速度比目前最先進的射電天文設施快數百倍。

SKA組織總干事Philip Diamond稱:“對于SKA來說,太陽從來不會落山。”SKA組織由13個成員國組成,來自約20個國家的約100個組織參與了該項目的設計和開發。Diamond認為SKA這種雄心勃勃的項目,必須依靠各國政府、工程師、科學家和企業,懷抱共同目標一起努力才能獲得成功。

建造SKA的意義十分深遠。Diamond表示:“建造SKA是為了進行科學研究,探究宇宙的起源、恒星與星系的起源、重力的本質等問題。”射電天文學改變了科學家們對物理學的理解,甚至對愛因斯坦的相對論提出了挑戰。

Diamond稱人們常把SKA稱為“時間機器”。SKA望遠鏡完工后,將有助于人類研究更久遠的問題,他表示:“我們能夠利用射電望遠鏡一路追溯到大爆炸時期,研究宇宙中最普遍存在的氫元素。我們將穿越時光,回到宇宙最初形成時的形態,然后觀察宇宙如何演化,了解最早期的恒星和星系如何形成,以及宇宙是如何變成如今這幅景象的。”

即使是對天文學家來說,宇宙也還有太多的未解之謎。Diamond說:“這讓我們天文學家有些尷尬,因為我們對宇宙構成的了解僅有4%到5%左右。”探索未知就是這個項目背后的主要推動力。

例如,有一種現象叫做快速射電暴,Diamond表示:“快速射電暴這一現象在整個天空中反復出現,每次爆發僅維持一到兩毫秒,威力極大。我們尚不清楚這種現象出現的原因,但SKA望遠鏡能夠觀測到成千上萬次此類現象,無論哪里出現都能捕捉到,這有助于我們了解這種現象的本質。”

技術創新的源泉

射電天文學是探測無線電輻射并深入研究宇宙的天文學領域,這一概念看似非常陌生。事實上,除了在《超時空接觸》這部電影里,許多人甚至從未聽說過射電天文學這個詞,但它離我們的生活比想象中要近得多。Diamond表示:“許多人不了解,我們每天使用的Wi-Fi技術就是射電天文學家的發明。”實際上,Wi-Fi是澳大利亞射電天文學家在處理來自黑洞的信號時發明的。這只是我們在日常生活中直接受益于射電天文學成果的一個例子。

射電天文學在通信、全球定位衛星和醫療影像技術等領域同樣至關重要。Diamond還認為射電天文學在推動數據可視化、人工智能和機器學習的發展等方面潛力巨大。

大數據需要AI

SKA項目規模龐大,無疑會面臨巨大的技術挑戰。為避免信號受到來自城市等建成區的無線電波干擾,必須將望遠鏡陣列建設在偏遠、難以到達的區域。而隨之而來的是第一個挑戰是:如何解決硬件設施供電問題。Diamond說:“我們使用的設備必須具有高節能性,這是一大挑戰。”

SKA不僅占地規模龐大,它所處理的數據量也十分巨大。SKA探索宇宙的精細程度也是史無前例的,并且處理速度比現有任何同類設施要快數百倍。SKA的中央計算機算力與1億臺個人電腦的算力相當。Diamond稱:“望遠鏡產生的原始數據量大約相當于整個互聯網中流動的總數據量的6倍。”

SKA的數據流量將達到每秒Pb(即千萬億比特)級,比目前全球互聯網流量還要高。一期工程期間將產生600 Pb的數據存檔,甚至超過了Facebook和谷歌這樣的互聯網巨頭。處理如此海量的數據絕非易事,而華為的超級計算和AI技術此時便可堪大用。Diamond表示:“華為與我們上海天文臺的同事合作開發了首個SKA區域中心。這是一個高性能計算系統的原型,利用AI技術為天文學家處理數據,處理速度大大高于以往。”Diamond認為要快速處理如此海量的數據,AI至關重要。只有借助SKA區域中心和華為這樣的合作伙伴才能“充分利用SKA探索科學成果”。

華為和上海天文臺已經利用SKA先導望遠鏡產生的數據結合機器學習技術,解決脈沖星搜索和射電星系探測等天文學問題,雙方的合作已結出累累碩果。

中國對SKA的貢獻

中國作為SKA創始國之一,正籌建區域數據中心,并開發反射面天線。上海天文臺SKA團隊負責人安濤表示,SKA具有極高的靈敏度、廣闊的視場、超高測量速度和超高分辨率,因此將產生大量的觀測數據。他還表示,SKA數據的傳輸、存儲、讀寫、計算、管理、存檔和發布,將對信息和計算領域的技術提出巨大挑戰。

中國的SKA技術團隊將與信息、通信和計算機行業合作,應對SKA大數據的挑戰。安濤稱:“這將帶來重大科學發現并有助于促進中國經濟發展。 ”

Diamond還表示:“建造巨型射電望遠鏡,是為了收集盡可能多的信息,獲得海量數據。”他表示,SKA上海中心在開發數據處理解決方案方面扮演著“示范性角色”,他們正與華為合作將AI運用于數據處理。

合作是關鍵

Diamond強調,如此大規模的項目不僅需要與政府和高校合作,行業伙伴的支持也必不可少。他表示:“高校不乏人才,他們能協助我們解決一部分問題,但很多問題還是要靠業界。我們需要來自業界的創新,借助業界開發的技術打造系統和解決方案,將其部署在沙漠和超算中心,從而幫助我們處理海量數據。因此我們與業界保持著緊密的合作。”

雖然SKA項目能孵化出哪些新技術還是未知數,但肯定的一點是,如此雄心勃勃的項目不僅需要與政府和高校合作,還需要與驅動最新技術發展的業界伙伴合作,而AI必將在其中發揮關鍵作用。

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