Der höchstgelegene Supercomputer der Welt

Hoch oben in den abgelegenen Anden im Norden Chiles ist jetzt einer der leistungsstärksten Supercomputer der Welt errichtet und erfolgreich getestet worden. 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 spezialisierter Großrechner 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.

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 schafft der Korrelator bis zu 17.000 Teraflops. Der Korrelator wurde speziell für diese Aufgabe gebaut; die Anzahl der Rechenoperationen pro Sekunde, die er erreicht, ist vergleichbar mit der Leistung der schnellsten Universalgroßrechner der Welt.

„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.

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. Mit diesen Filtern lässt sich die Strahlung, die ALMA beobachtet, in 32 mal so viele Wellenlängenbereiche aufteilen 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.

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: Der ALMA-Standort ist häufig von seismischer Aktivität betroffen ist. Der Korrelator musste daher so konstruiert werden, dass er die Vibrationen aushält, die mit den Erdbeben einhergehen.

ALMA hat im Jahr 2011 seine ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit einem Teil der 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.

ESON / OD