史上最強のスーパーコンピューターでビッグバンを解明

今から10年ちょっと後には、世界最大の乾燥平原の一つが、高解像度の天文学と高性能コンピューティングが交わる活気ある場所になるだろう。南アフリカかオーストラリアのどちらかの低木地帯に、史上最大の望遠鏡、スクエア・キロメートル・アレイ（SKA）が設置される。これは宇宙最古の誕生の苦しみを聞くために設計されたものだ。そして、その運用の頭脳は、おそらく世界で最も強力なスーパーコンピューターになるだろう。

次世代の主要な科学機器には、処理とデータ転送、そしてストレージの両方において、まったく新しい情報アーキテクチャが必要になります。したがって、天文学の未来はコンピューティングの未来と密接に結びついています。

IBM は本日、これらの未来をさらに緊密に絡み合わせるために、チューリッヒの研究拠点に接続された 4,300 万ドル (3,200 万ユーロ) の新しいセンターを発表した。このセンターでは、コンピューター科学者が初の低電力エクサスケール コンピューター システムを設計および構築することを目指している。

スクエア キロメートル アレイは、大陸ほどの広さのエリアに広がる数千の無線アンテナで構成され、収集エリアは 1 平方キロメートルに相当します。このアンテナは、暗黒エネルギーの研究、ブラックホールの探索、星間空間の複雑な有機分子の探索、そして宇宙の暗黒時代 (最初の星が形成される前の時代) の調査を行います。この作業には、広大な仮想視野に加えて、大量の計算能力が必要です。

現在の世界の毎日のインターネット トラフィックを 2 倍にすると、スクエア キロメートル アレイが毎日生成する膨大なデータ量 (1 エクサバイト/日) に近づきます。これは最先端のコンピューティング技術をはるかに超えるものだと、チューリッヒの IBM リサーチの Ton Engbersen 氏は指摘します。「PC に必要な面積は SKA よりも大きいです」と同氏は言います。

SKA の設計方法とデータ転送問題の解決方法によって、2 から 30 エクサフロップスの処理能力が必要になると同氏は述べた。設計パラメータはまだ調整中だが、建設の第一段階は 2016 年に開始される予定。オーストラリアまたはアフリカ (アンテナのほとんどは南アフリカにあり、その他はボツワナからザンビアまでさまざまな国に分散) の設置場所は、今月後半に発表される予定。20 億ドル規模のこのプロジェクトは、2024 年まで完了しない予定である。

SKA のような巨大なものから得られるデータは、さまざまなレベルで課題であり、業界の努力とは別に、アンドレアス・ウィチェネックのような研究者が、それを少しずつ解明しようとしている。ウィチェネックは、西オーストラリア州にある国際電波天文学研究センターのコンピューティング部門長で、彼の仕事の一部は、SKA のすべてのデータを保存する方法を見つけることだ。これは、1 日あたり iPod 1,500 万台に相当すると、彼は指摘した。

「全体を一度に計画する必要があります。現在エクサスケール コンピューティングと呼ばれているものは、エクサフロップスのコンピューターだけではありません。ストレージ フローもエクサスケール コンピューティングと呼ばれます。これらは並行して構築する必要があります。」と彼は言いました。

彼は、GPU 間の帯域幅を増やしてデータをより速く転送する方法と、これらの巨大なコンピューターを冷却して電力需要を抑える方法を研究しています。これは、南アフリカや西オーストラリアの砂漠では特に重要になります。

「このような機械の電気代を払うためには、電力消費を10分の1から100分の1に減らさなければならない」と彼は語った。

エンバーセン氏によると、IBM の研究者たちはいくつかのアイデアを持っている。同社は、ここで詳しく読むことができる相変化メモリを使用したこれまでの研究と、より効率的にデータを転送し、冷却効果を維持できる 3D チップ アーキテクチャの研究を基に、さらに研究を進めたいと考えている。エンバーセン氏は、100 個のチップを積み重ね、互いに重ね合わせることを構想している。このようなアーキテクチャであれば、SKA は理論上、角砂糖ほどの大きさのスーパーコンピューターを搭載できる。

データのダウンロードもより効率的に行うことができます。エンバーセン氏は、文書を開くと、通常は一番下までスクロールする前に最初の数ページを見ることになると指摘しています。これは天文学者にも有効で、一度に数ページまたは数ビットのデータをダウンロードできるかもしれません。

IBMの研究センターは、SKAを計画しているASTRONおよびオランダ電波天文学研究所と協力し、オランダに設置される予定です。

SKA の取り組みから生まれた新しいシステム設計は、他のビッグデータ分野にも応用できる可能性があるとエンバーセン氏は言う。しかし、本当の成果は天文学にとって莫大なものとなるだろう。

SKA があれば、天文学者は常時リアルタイムの全天電波調査を行えるようになり、宇宙で最も奇妙な現象のいくつかを解明するのに役立つ可能性があります。現在の電波天文学は強力ですが、全天調査は依然として約 10 秒角に制限されています。これは空のほんの一部です。比較のために言うと、今月の金星は、その非常に明るい巨大な円盤の直径が 25 ～ 37 秒角です。20 世紀初頭に写真乾板で始まった光学天空調査は、かなり高解像度で、1 秒角程度です。「電波望遠鏡で同様の解像度を求めるなら、SKA 規模にする必要があります」と Wicenec 氏は言います。

SKAの長期にわたる建設期間は、望遠鏡、コンピューター、保管施設が一体となって成長することに役立つだろうとウィセネック氏は語った。

「これは、テクノロジーが一定の割合で進歩しているという事実に本当に依存している」と彼は語った。