人類史上最大天文裝置——平方公里陣列（SKA）射電望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)2020年啟動建設(shè)。作為創(chuàng)始成員國之一，中國除了參與研發(fā)這個超級望遠(yuǎn)鏡的反射面天線，也在為建設(shè)區(qū)域中心積極開展準(zhǔn)備工作。

據(jù)科學(xué)網(wǎng)11月20日消息，近日，我國科學(xué)家成功研制世界首臺平方公里陣列（SKA）區(qū)域中心原型機(jī)。

“沒有SKA區(qū)域中心，就無法開展真正意義上的SKA科學(xué)研究?！敝锌圃荷虾Ｌ煳呐_研究員安濤告訴《中國科學(xué)報》，此項(xiàng)研究不僅有助于我國科學(xué)家在關(guān)鍵科學(xué)項(xiàng)目中優(yōu)先獲得數(shù)據(jù)從而把握創(chuàng)新突破的先機(jī)，而且能極大促進(jìn)國內(nèi)超算和大數(shù)據(jù)相關(guān)領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力。

相關(guān)成果發(fā)表于《自然—天文》。

中國SKA區(qū)域中心原型機(jī) 圖片來源：《自然—天文》

分擔(dān)總臺數(shù)據(jù)處理壓力

宇宙從何而來，將向何處去？SKA的建設(shè)和運(yùn)行將為這些問題的解決打開一個窗口。

不同于“中國天眼”FAST，SKA是由一系列小單元天線編織成的巨大網(wǎng)絡(luò)，也稱綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。它不僅能直接成像，還得到海量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要射電天文學(xué)家運(yùn)用專門的軟件處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為科學(xué)成果，從數(shù)據(jù)中“看見”宇宙。

然而，SKA產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極其龐大，臺址國數(shù)據(jù)處理中心的承受能力無法滿足SKA完整的數(shù)據(jù)處理和存儲需求，建設(shè)多個區(qū)域性科學(xué)與數(shù)據(jù)中心成為了必然選擇。

“SKA的兩組望遠(yuǎn)鏡陣列分別位于南非和澳大利亞，而另外的大多數(shù)成員國也希望有些數(shù)據(jù)能儲存在北半球，方便科學(xué)用戶?！卑矟a(bǔ)充道。

不過，區(qū)域中心不僅僅需要分擔(dān)SKA天文臺的數(shù)據(jù)處理的總體壓力，更重要的是，它們要承擔(dān)本地區(qū)的用戶支持，使得SKA科學(xué)成果最大化。

原來，各個國家和地區(qū)的科研水平和關(guān)注的學(xué)術(shù)領(lǐng)域不盡相同，不同的科學(xué)任務(wù)要求的計(jì)算架構(gòu)和軟件環(huán)境也是各異。臺址國超算設(shè)備的設(shè)計(jì)一旦固化，就缺乏靈活性，只有區(qū)域中心才有能力充分考慮用戶的差異化需求。

建造區(qū)域中心原型機(jī)

這樣的區(qū)域中心技術(shù)要求和建設(shè)成本相當(dāng)高，因此需要關(guān)鍵設(shè)備等的預(yù)研，原型機(jī)的建造就是其中一項(xiàng)重要的預(yù)研內(nèi)容。

目前，中國雖然有“天河二號”、“神威·太湖之光”等超算設(shè)備，但計(jì)算能力難以滿足SKA的龐大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理要求。為了方便數(shù)據(jù)的國際共享，中心區(qū)域必須方便國際同行訪問提取，實(shí)現(xiàn)寬帶低延遲國際互聯(lián)。這些無疑都對原型機(jī)的研制增加了難度。

安濤介紹，成功研制的中國SKA區(qū)域中心原型機(jī)，整體設(shè)計(jì)充分考慮了各方面需求，整個系統(tǒng)采用“軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)”的思想，即根據(jù)應(yīng)用程序的特征，選擇合適的硬件和軟件組件，以實(shí)現(xiàn)在有限的功耗下的最佳性能。

此次研制的原型機(jī)在計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)三大模塊中均有創(chuàng)新突破。計(jì)算模塊采用新型數(shù)據(jù)島架構(gòu)，由執(zhí)行框架將整個數(shù)據(jù)中心按照任務(wù)需求分成若干個小區(qū)域、或多個子數(shù)據(jù)中心，既可以獨(dú)立執(zhí)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)，也可以根據(jù)需求靈活重組資源，滿足SKA多任務(wù)并行處理的要求。

此外，中國SKA區(qū)域中心原型機(jī)還首次采用了華為鯤鵬處理器，基準(zhǔn)測試表明該服務(wù)器整體性能優(yōu)良。

不過，在處理SKA先導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡的實(shí)測數(shù)據(jù)中，原型機(jī)會遇到實(shí)際的問題，有些可能是事先無法預(yù)測的，這為未來建設(shè)完整意義的中國SKA區(qū)域中心提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。安濤介紹，原型機(jī)還有一個任務(wù)是測試軟件和算法，研究這些軟件在大型集群上的擴(kuò)展性。“比如我們和國際合作團(tuán)隊(duì)在美國SUMMIT（世界上最快的超算）上開展大規(guī)模實(shí)驗(yàn)之前，就在原型機(jī)上做了大量測試?！?

他指出，針對不同科學(xué)用戶和不同科學(xué)需求，定制不同的計(jì)算和存儲設(shè)備的組合，使得區(qū)域中心能夠發(fā)揮最大效率，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本也需考慮在內(nèi)。

區(qū)域中心并非單純超算

事實(shí)上，中國并非一早就介入了SKA區(qū)域中心原型機(jī)的研究，世界上有很多國家很早就開始了SKA科學(xué)數(shù)據(jù)處理器的研究工作。但受各國現(xiàn)實(shí)條件等的影響，最終上海天文臺成功研制了中國SKA區(qū)域中心原型機(jī)，成為世界上首臺SKA區(qū)域中心原型機(jī)。

在中科院上海天文臺研究員洪曉瑜看來，這主要得益于我國領(lǐng)先的超算能力和日益增長的綜合科技實(shí)力，其為建設(shè)中國SKA區(qū)域中心的數(shù)據(jù)處理平臺奠定了重要基礎(chǔ)。

區(qū)域中心就是簡單意義上的超算嗎？答案是否定的。相比于傳統(tǒng)的服務(wù)于通用型需求的國家超算，中國SKA區(qū)域中心對系統(tǒng)架構(gòu)、業(yè)務(wù)目標(biāo)、技術(shù)挑戰(zhàn)都提出了更高的挑戰(zhàn)。

首先表現(xiàn)在SKA區(qū)域中心是以數(shù)據(jù)處理為中心而非以計(jì)算為中心，SKA數(shù)據(jù)的運(yùn)算和管理主要是以數(shù)據(jù)驅(qū)動的工作流模式,巨大的數(shù)據(jù)流對輸入輸出（I/O）帶寬、單服務(wù)器存儲容量與存儲介質(zhì)的性能均提出了極致需求，而這些都不是國家超算的主流業(yè)務(wù)類型。

其次，計(jì)算平臺是專門設(shè)計(jì)的異構(gòu)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)國家超算強(qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)同構(gòu)以支持大規(guī)模作業(yè)運(yùn)行或提供通用計(jì)算服務(wù)不同，SKA區(qū)域中心需要支持眾多不同科學(xué)目標(biāo)的科學(xué)工作組，其軟件特征差異巨大，不適宜用同構(gòu)的、通用服務(wù)型超算中心進(jìn)行承載。

洪曉瑜告訴《中國科學(xué)報》，中國SKA區(qū)域中心是國際SKA區(qū)域中心體系的一個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，不僅承擔(dān)第一層級數(shù)據(jù)（每年百PB量級）的接收、運(yùn)算、管理和存檔，而且需要與其他區(qū)域中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作，它還依賴于科學(xué)軟件的研發(fā)和科學(xué)用戶的長期服務(wù)支撐，這些都不是通用型國家超算可以比擬的。

總體而言，區(qū)域中心除了承擔(dān)計(jì)算和存儲的國際義務(wù)，更重要的是要承擔(dān)研發(fā)SKA數(shù)據(jù)處理軟件、培養(yǎng)中國SKA第一梯隊(duì)科研人才的重任。

“中國SKA區(qū)域中心一旦建成，這意味著中國科學(xué)家不出國門，就能便捷使用數(shù)據(jù)產(chǎn)出科學(xué)成果，并吸引國際伙伴來中國進(jìn)行科學(xué)研究和交流?！卑矟硎?，下一步團(tuán)隊(duì)將逐步向國內(nèi)外用戶開放，支持天文學(xué)家使用原型機(jī)分析處理SKA先導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)。