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ALMA-Korrelator: Höchstgelegener Supercomputer der Welt in Chile

Hoch oben in den abgelegenen Anden im Norden Chiles hat man einen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt errichtet und erfolgreich getestet. Damit wurde einer der wichtigen verbliebenen Meilensteine auf dem Weg zur Fertigstellung des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) erreicht: dem ausgeklügeltsten bodengebundenen Teleskops in der Geschichte der Astronomie. Der ALMA-Korrelator ist ein Spezialgroßrechner mit über 134 Millionen Prozessoren und ist in der Lage, bis zu 17 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde auszuführen. Damit erreicht er eine Geschwindigkeit, die vergleichbar mit der des aktuell schnellsten Universalgroßrechners ist.

ALMA-Korrelator: Höchstgelegener Supercomputer der Welt in Chile
Weitwinkelaufnahme des ALMA-Korrelators. Quelle: ESO

Der Korrelator ist eine der zentralen Komponenten von ALMA, einem astronomischen Teleskopverbund, der aus 66 Antennenschüsseln besteht. Die 134 Millionen Prozessoren des Korrelators kombinieren und vergleichen kontinuierlich die schwachen Signale aus dem Kosmos, die die einzelnen Antennen der Anlage empfangen, die bis zu 16 Kilometer voneinander entfernt stehen können. So ist es möglich, die verschiedenen Antennenschüsseln wie ein einziges großes Teleskop zusammenarbeiten zu lassen. Die Daten, die jede einzelne Antenne empfängt, müssen dafür mit denen jeder anderen Antenne abgeglichen werden. Bei einer maximalen Kapazität von 64 gleichzeitig angeschlossenen Antennen kann der Korrelator bis zu 17 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde verarbeiten. Der Korrelator wurde speziell für diese Aufgabe gebaut; die Anzahl der Rechenoperationen pro Sekunde, die er erreicht, ist aber vergleichbar mit der Leistung der schnellsten Universalgroßrechner der Welt. Der derzeitige Rekordhalter in der TOP500-Liste von Universalgroßrechnern ist der Titan, gebaut von Cray Inc., der auf 17,59 Billiarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde kommt. Da der ALMA-Korrelator ein spezialisierter Großrechner ist, wird er freilich in dieser Rangliste nicht berücksichtigt.

„Diese einzigartige rechentechnische Herausforderung erforderte ein innovatives Design, sowohl was die einzelnen Komponenten als auch was die gesamte Architektur des Korrelators angeht”, erläutert Wolfgang Wild, der europäische ALMA-Projektmanager bei der ESO.

Das grundlegende Design des Korrelators oblagen ebenso wie sein Bau und seine Einrichtung dem US-amerikanischen National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dem führenden nordamerikanischen ALMA-Partner. Das Korrelator-Projekt wurde von der US-amerikanischen National Science Foundation und zusätzlichen Beiträgen von der ESO finanziert.

„Die Fertigstellung und Einrichtung des Korrelators ist ein wichtiger Bestandteil des nordamerikanischen Beitrags für das internationale ALMA-Projekt”, fasst Mark McKinnon, der nordamerikanische ALMA-Projektdirektor beim NRAO zusammen. „Die technischen Herausforderungen waren enorm, aber unser Team hat es geschafft.

Die ESO als der europäische Partner bei ALMA hat einen wichtigen Bestandteil zu dem Korrelator beigesteuert: Ein in Europa komplett neu entwickeltes, vielseitiges digitales Filtersystem wurde in das ursprüngliche NRAO-Design eingebaut. Dazu entwickelte die französische Université de Bordeaux einen Satz von 550 hochmodernen Digitalfilterplatinen für die ESO. Diese Arbeiten basieren auf einem neuen Konzept für den Korrelator, das von der Université de Bordeaux innerhalb eines Konsortiums ausgearbeitet wurde, an dem auch ASTRON in den Niederlanden und das italienische Osservatorio Astrofisico di Arcetri beteiligt ist. Mit diesen Filtern kann die Strahlung, die ALMA beobachtet, in 32 mal so viele Wellenlängenbereiche aufgeteilt werden wie zu Beginn vorgesehen. Jeder dieser Bereiche kann dabei präzise eingestellt werden. „Die Flexibilität, die wir dadurch gewonnen haben, ist fantastisch. Wir können den Spektralbereich, in dem ALMA beobachtet, nun in kleine Stücke zerteilen und uns dann auf diejenigen Wellenlängen konzentrieren, die für ein bestimmtes Beobachtungsobjekt benötigt werden. Das können die Signale von Gasmolekülen sein, mit deren Hilfe man eine Sternentstehungsregion kartiert, oder auch einige der am weitesten entfernten Galaxien im Universum ”, erklärt Alain Baudry von der Université de Bordeaux, der Leiter des europäischen ALMA-Korrelator-Teams.

ALMA-Korrelator: Höchstgelegener Supercomputer der Welt in Chile
Das technische Betriebsgebäude an der AOS. Quelle: ESO

Eine ganz besondere Herausforderung für den Korrelator ist sein außergewöhnlicher Standort: im technischen Betriebsgebäude der ALMA Array Operations Site (AOS) – dem höchstgelegenen High-tech-Gebäude der Welt. Auf 5000 Metern über dem Meeresspiegel ist die Luft so dünn, dass der doppelte Luftstrom benötigt wird, um die Anlage zu kühlen. Dafür werden etwa 140 Kilowatt Leistung benötigt. Bei derart niedrigem Luftdruck können außerdem keine herkömmlichen Festplatten verwendet werden, da deren Schreib- und Leseköpfe ein Luftpolster benötigen, das verhindert, dass sie die Drehscheiben zerkratzen. Hinzu kommt, dass der ALMA-Standort häufig von seismischer Aktivität betroffen ist, so dass der Korrelator so konstruiert werden musste, dass er die Vibrationen aushält, die mit Erdbeben einhergehen.

ALMA hat im Jahr 2011 seine ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit einem Teil der Antennen aufgenommen. Ein Teil des Korrelators kam dabei bereits zum Einsatz, aber erst jetzt ist das System vollständig. Damit ist der Korrelator bereit, um ALMA mit einer größeren Anzahl von Antennen arbeiten zu lassen, wodurch sich die Empfindlichkeit und die Qualität der Beobachtungen weiter verbessern werden.

ALMA nähert sich der Fertigstellung und wird im März 2013 eingeweiht werden.

Weitere Informationen

Der ALMA-Korrelator ist eines von zwei derartigen Systemen im ALMA-Komplex. Die insgesamt 66 Antennenschüsseln von ALMA sind entweder Teil des Hauptfelds von 50 Antennen, von denen jeweils die Hälfte von der ESO und vom NRAO bereitgestellt wurden, oder des Atacama Compact Array (ACA), eines zusätzlichen Antennenfelds von 16 weiteren Antennen, das vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) zur Verfügung gestellt wird. Ein zweiter Korrelator, der von der Firma Fujitsu gebaut und vom NAOJ bereitgestellt wurde, sorgt für die unabhängige Korrelation der 16 ACA-Antennenschüsseln, wann immer einzelne ACA-Antennen nicht mit den 50 weiter verteilten Hauptanordnungsantennen kombiniert werden.

ALMA ist eine internationale Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb des Observatoriums ist die ESO zuständig für den europäischen Beitrag, das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für Ostasien und das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) für den nordamerikanischen Beitrag. Das Joint ALMA Observatory (JAO) übernimmt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Im Jahr 2012 feiert die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) das 50-jährige Jubiläum ihrer Gründung. Die ESO ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 15 Mitgliedsländer: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist der europäische Partner für den Aufbau des Antennenfelds ALMA, das größte astronomische Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein Großteleskop mit 39 Metern Durchmesser für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird: das European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Links

(ESO)

Christoph Schroeder

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