Вселенная и память

18.12.2012 К концу первой четверти XXI века в Южном полушарии должен появиться самый большой в истории научный инструмент. Колоссальный по занимаемой площади радиоинтерферометр, уже получивший название «Массив на квадратном километре», позволит заглянуть вглубь времен так далеко, как это только возможно.

Строительство мегарадиотелескопа Square Kilometre Array (SKA), в котором примут участие около 20 стран, начнется, согласно графику, в 2017 году, а на плановую мощность конструкция выйдет в 2024-м. Это не такое отдаленное будущее, однако создание «массива» – вопрос не только времени и денег (проект пока оценивается в €1,5 млрд), но и технологий, причем некоторые из них еще только предстоит создать.

С помощью SKA исследователи рассчитывают собрать материал для получения ответа на вопросы, связанные с генезисом Вселенной и материального мира, такого, каким мы его знаем. Особый интерес представляют события, произошедшие в конце периода так называемых Темных веков (Dark Ages). В это время (380 000 – 150 000 000 лет после Большого взрыва) буйство ионизированных газов сошло на нет и Вселенная была заполнена гелием и атомарным водородом. Несмотря на воцарившийся «мир и покой», в этом древнем пространстве присутствовало излучение (реликтовое, а также излучение атомарного водорода на волне 21 см).

Нейтральный атом водорода по причине внутриатомного перераспределения энергии испускает квант радиоизлучения один раз за 11 млн лет, но так как у разных атомов это происходит не одновременно, а их огромное количество, такое излучение создает вполне заметный фон. Больше во Вселенной не было ничего до наступления эпохи реионизации. Именно тогда стали образовываться первые космические объекты: звезды, квазары, галактики и их скопления. Там, где в пространстве вспыхивали первые светящиеся объекты, они нагревали окружающий газ, водород вновь ионизировался, и его излучение на «радиолинии 21» сходило в этих местах на нет. Там, где звездо- и галактикообразование не происходило, фон излучения атомарного водорода сохранялся.

Таким образом, улавливая и анализируя древнее излучение нейтрального водорода и значение красного смещения в его спектре, можно составить некую 3D-карту Вселенной, в которой будет видна структура зарождения ранних космических объектов всего через 150 млн лет после Большого взрыва. Именно такую карту с достаточно высоким разрешением и поможет, как надеются ученые, построить SKA.

Еще одна фундаментальная задача – обнаружение гравитационных волн, существование которых было предсказано Эйнштейном. Собственно, для этого построены наземные интерферометры типа LIGO, пытающиеся «поймать» волну, зафиксировав ее воздействие на время прохождения лазерного луча. Но есть другой метод.

Во Вселенной есть космические объекты под названием «миллисекундные радиопульсары», периоды которых отличаются поразительной точностью – на уровне атомных часов. Если очень точно замерить период излучения такого пульсара, а лучше целого массива, то можно обнаружить гравитационную волну, которая для находящегося на Земле наблюдателя внесет искажение в период излучения пульсара или пульсаров. SKA с его огромными возможностями поможет найти новые миллисекундные радиопульсары и с максимальной точностью замерит их периоды, что может значительно продвинуть дело с поиском гравитационных волн.

Чтобы достичь таких впечатляющих результатов, мало тысяч антенн, раскиданных на тысячи километров. SKA – это колоссальный поток данных, который будет ежедневно генерироваться, обрабатываться, анализироваться и храниться. По расчетам специалистов компании IBM, которая активно участвует в проекте SKA в рамках программы DOME, ежедневно инструмент будет генерировать 1 эксабайт (10¹⁸ байт) информации, что вдвое больше, чем весь интернет на земном шаре. Получаемый поток данных будет обрабатываться суперкомпьютерами, выступающими в роли процессоров визуализации, – радиоастрономическая информация должна быть представлена в виде неких доступных для анализа карт. Ежедневная продукция этих процессоров составит порядка одного петабайта (10¹⁵ байт) в день. И все это богатство надо где-то хранить, обеспечивая при этом легкий доступ к нему для исследователей.

Как рассказали «ПМ» в лаборатории IBM в Цюрихе, работа над SKA является для ученых компании одним из самых прорывных и масштабных проектов, в которых задействованы «большие данные» (Big Data). Предстоит трудиться сразу над несколькими направлениями – это разработка вычислительных мощностей, способных справиться с объемами данных в эксабайтном масштабе, создание на базе нанофотонных технологий сверхбыстрых магистралей для передачи информации, конструирование нового поколения устройств памяти и хранения данных.

Надо понимать при этом, что SKA предполагается развернуть в безлюдных пустынях Южного полушария, где почти нет радиопомех, но нет и энергетической инфраструктуры. Поэтому ключевым понятием становится энергосбережение. Ответ подсказывают, в частности, мобильные технологии: ведь современные смартфоны демонстрируют высокие вычислительные мощности при небольшом энергопотреблении. Представители IBM говорят о «микросерверах», которые в настоящий момент разрабатываются и будут задействованы в работе SKA.

Особое направление – память и хранение данных, так как эксабайтные масштабы и здесь диктуют свою специфику. Поскольку данных огромное количество, их нельзя долгое время хранить в энергозависимой памяти типа DRAM. С другой стороны, поскольку эти объемы информации будут требовать немедленной обработки и анализа, сразу отправлять их в устройства хранения типа жестких дисков тоже нельзя, иначе скорость обработки снизится до непозволительных значений. Поэтому IBM предлагает выстроить для SKA совершенно новую иерархию запоминающих устройств. Между DRAM и устройствами хранения разной скорости и емкости (как сказали бы раньше, между ОЗУ и ПЗУ) встроить новый тип памяти – «память класса хранилища» (Storage Class Memory).

Такая память должна быть энергонезависимой (то есть не обнулять данные после отключения электропитания), предоставлять намного более быстрый, чем жесткий диск или флеш-память, доступ к данным, легко масштабироваться и, что немаловажно, иметь относительно низкую стоимость. На самом деле речь идет не о конкретной технологии (технологии могут быть разными), а о новом типе запоминающего устройства, сочетающем в себе функции оперативной памяти и хранения данных. Тем не менее IBM предлагает в качестве технологической основы для «памяти класса хранилища» память на основе фазового перехода. Имеется в виду изменение структуры с кристаллической на аморфную, происходящее под воздействием нагрева в химических соединениях типа халькогенидов. В результате этого процесса меняются, например, отражающие свойства так называемых халькогенидных стекол (применяемых в DVD-дисках).

Использование в SKA «памяти класса хранилища» позволит превратить всю иерархию связанных с радиотелескопом устройств хранения данных в высокодинамичную систему, где наиболее актуальные данные будут всегда под рукой. Вместе с тем для хранения архивов IBM предлагает… старую добрую магнитную ленту. Хотя и не совсем старую – IBM демонстрирует сегодня пленку, которая способна записать до 29 ГБ данных всего лишь на один квадратный ее дюйм. И хотя по скорости доступа лента намного уступает даже оптическим носителям, ее дешевизна, соотношение физического объема с объемом записанных данных, мобильность ставят ее вне конкуренции, если речь идет о колоссальных архивах данных ежедневного сканирования Вселенной.

popmech.ru