電波天文學(radio astronomy)的資料越來越多,混合記憶體立方體(Hybrid Memory Cube;HMC)可望有助於處理這些「從天而降」的大量資訊。

天文學是最古老的觀測科學之一,南非「平方公里列陣」(Square Kilometre Array,SKA)計劃科學運算技術主管Simon Ratcliffe指出,用肉眼從光學望遠鏡中只能看到20,000顆星星,「如果你是科學家,這樣的資料並不充份。」而今,電波天文學也正轉變為一門資料科學。

無線電望遠鏡擁有龐大且密集的資料量。例如預計在2024年完成的SKA,以及在那之前號稱南半球最大且具有最高靈敏度的MeerKAT (位於南非北開普省)。Ratcliffe說,即使MeerKAT的64根天線中目前只有16根天線能運作,已足以在宇宙中一個安靜的角落偵測到天文學家從未探索過的1,500個新星系。

他補充說,隨著天線進一步移動且分開得更遠,仍然具有一定的解析度讓你看到更精密的細節。超高的解析度結合更強大的天線,就能收集到更大量的資料。大約在10年前,天文學家能夠將資料下載至筆記型電腦後使用,而今在導入先進的儀器後產生如此龐大的資料量,而無法再下載至筆記型電腦了。Ratcliffe說,其挑戰之處在於找到如何從所有的資料中擷取知識的方法。他形容SKA是一項大瞻且創新的「登月計劃」(moonshot)。它至少會比以往的規模更大10倍,而且將性能推到了極限。」

20170620_HMC_NT01P1 在MeerKAT的64根天線中,每一根天線都以每秒40Gb的速率產生資料串流,總輸入資料速率約為每秒2.5terabit (TB)

SKA數位後端子系統經理Francois Kapp表示,要說明挑戰來自於何處,更有意義的是先了解訊號如何組成:前端數位器的任務顧名思義就是要將類比訊號轉換為數位訊號。這是以MeerKAT的64根天線來進行的,每根天線以每秒40Gb的速率串流實現。「總輸入資料速率大約是每秒2.5TB。」

隨著天文學家轉而採用更現代化、更複雜的儀器,Kapp說,他們必須在兩方面趕上這種資料速率:一是必須提高記憶體深度,同時,還必須增加記憶寬度。「所幸在實際上可以透過分配記憶體來進行,」他說。

這些演算法也很簡單,但來自於每根天線的資料不斷累積起來,而且一天24小時不曾間斷。 Kapp說:「我們不需要太高的數值精確度,因此這為我們開啟了機會;但在另一方面,功率受到嚴重的限制。」

訊號處理是美光科技(Micron Technology)的HMC得以利用SKARAB發揮作用之處。SKARAB是MeerKAT望遠鏡的數位處理平台。它成功地採用可重配置開放架構(ROACH-2),以及配備3,600個訊號處理元素。高性能的HMC讓工程師得以為記憶體容量與資料頻寬搭配需的處理能力。

SKARAB將資料速率從10Gbps大幅提高到40Gbps (預計來自MeerKAT天線的資料),以升級的連網能力提升ROACH架構。Kapp認為僅憑添加更多的記憶體容量是不夠的。

SKARAB平台以現場可編程陣列(FPGA)為基礎,新一代的SKARAB預計每兩到三年推出更新版,並搭配新型的FPGA晶片。「FPGA非常適於建立關聯性,」他說,「我們必須解決的問題是可用於搭配深度與寬度的記憶體。隨著晶片越來越大,深度較易於實現,但寬度則不然。」Kapp並補充說,HMC的序列介面結合FPGA(朝序列介面過渡),並結合openHMC控制器,選擇HMC作為SKARAB平台的記憶體首選。

20170620_HMC_NT01P2 美光的Hybrid Memory Cube是MeerKAT望遠鏡SKARAB數位處理平台的關鍵技術

德國海德堡大學(University of Heidelberg)電腦科學研究員Juri Schmidt表示,OpenHMC對於滿足MeerKAT和SKA的資料處理需求至關重要。由海德堡大學電腦基礎架構小組(Computer Architecture Group;CAG)開發的開放來源計劃——openHMC,是一個可配置、獨立於供應商且符合AXI-4標準的HMC控制器,能根據不同的資料寬度、外部通道寬度要求和時脈速度等條件進行參數化,具體取決於速度和面積要求。Schmidt說:「複雜度已經轉移到記憶體堆疊了,因此取決於製造商如何處理這種複雜度。」

更重要的是打造主控制器的能力,畢竟,購買商用技術並不具經濟效益,研究人員可能無法取得該技術,Schmidt補充說。「我們已經看到對於控制器的諸多貢獻了。如今,我們需要開放社群共同推動這些創新。」他並肯定Micron Foundation對於該技術的支持和接取。

Micron美光科技先進運算解決方案副總裁Steve Pawlowski表示,為MeerKAT和SKA等研究計劃提供HMC技術,可望為未來的開發帶來寶貴的資源。Pawlowski說,「在與學術界合作以及研究人員合作的過程中,將會得到巨大的價值。」他們的回饋有助於改善產品,Pawlowski強調,「我們知道最終這個產品將會成為主流。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Hybrid Memory Cube Powers Galaxy Quest,by Gary Hilson)