Proyecto CÚPULA

DOME es un proyecto financiado por el gobierno neerlandés entre IBM y ASTRON en forma de asociación público-privada centrado en el Square Kilometre Array (SKA), el radiotelescopio planificado más grande del mundo . SKA se construirá en Australia y Sudáfrica. El objetivo del proyecto DOME es el desarrollo de una hoja de ruta tecnológica aplicable tanto a SKA como a IBM. El proyecto de 5 años comenzó en 2012 y está cofinanciado por el gobierno neerlandés e IBM Research en Zúrich, Suiza, y ASTRON en los Países Bajos. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} El proyecto finalizó oficialmente el 30 de septiembre de 2017.

El proyecto DOME se centra en tres áreas de la informática: informática verde , datos y transmisión en tiempo real, y nanofotónica , y está dividido en siete proyectos de investigación.

• P1 Algoritmos y Máquinas – Dado que la escalabilidad de la computación tradicional ha llegado a su límite, se necesita un nuevo conjunto de metodologías y principios para el diseño de futuras supercomputadoras. Este será un proyecto general que englobará a los otros seis.
• Patrones de acceso P2 : Ante la necesidad de almacenar petabytes de datos al día, es preciso desarrollar nuevas ideas sobre la estratificación del almacenamiento de datos y los medios de almacenamiento.
• P3 Nano Photonics – La comunicación por fibra óptica a largas distancias y entre sistemas no es nada nuevo, pero queda mucho por hacer en lo que respecta a las comunicaciones ópticas dentro de los sistemas informáticos y dentro de los propios telescopios.
• Microservidores P4 : Las nuevas exigencias de mayor densidad de computación, mayor rendimiento por vatio y menor complejidad de los sistemas sugieren un nuevo tipo de servidor diseñado a medida.
• Aceleradores P5 : Ante el estancamiento del rendimiento informático general, se investigarán arquitecturas especiales para abordar el siguiente nivel de rendimiento en tareas especializadas como el procesamiento y el análisis de señales.
• P6 Muestreo compresivo : Investigación fundamental sobre procesamiento de señales a medida y algoritmos de aprendizaje automático para la captura, el procesamiento y el análisis de datos de radioastronomía. La detección compresiva, los sistemas algebraicos, el aprendizaje automático y el reconocimiento de patrones son áreas clave.
• P7 Comunicación en tiempo real : reduce la latencia causada por operaciones de red redundantes en sistemas a gran escala y optimiza la utilidad del ancho de banda de comunicaciones para que los datos correctos lleguen a la unidad de procesamiento correcta en tiempo real.

El diseño de las computadoras ha cambiado drásticamente en las últimas décadas, pero los antiguos paradigmas aún prevalecen. Los diseños actuales se basan en computadoras individuales que trabajan con pequeños conjuntos de datos en una sola ubicación. SKA se enfrentará a un panorama completamente diferente, trabajando con un conjunto de datos extremadamente grande, recopilado en una miríada de ubicaciones geográficamente separadas, utilizando decenas de miles de computadoras independientes en tiempo real. Los principios fundamentales para diseñar una máquina de este tipo deberán ser reexaminados. Se deben investigar parámetros relacionados con el consumo de energía, las tecnologías de aceleración, la distribución de la carga de trabajo, el tamaño de la memoria, la arquitectura de la CPU y las intercomunicaciones entre nodos para establecer una nueva base de diseño. ^{[ 5 ]} Las herramientas resultantes de este proyecto se publicarán como código abierto a principios de 2018.

Esta investigación fundamental servirá de marco general para las otras seis áreas de enfoque, ayudando a tomar decisiones adecuadas con respecto a las tendencias arquitectónicas.

Un primer paso será un análisis retrospectivo del diseño de los telescopios LOFAR y MeerKAT , así como el desarrollo de una herramienta de diseño para su uso en el diseño de ordenadores muy grandes y distribuidos.

Este proyecto se centrará en la enorme cantidad de datos que debe procesar el DOME. SKA genera petabytes de datos diariamente, los cuales deben gestionarse de forma diferente según la urgencia y la ubicación geográfica, ya sea cerca de los conjuntos de telescopios o en los centros de datos. Se deberá diseñar una solución compleja por niveles utilizando diversas tecnologías que actualmente están más allá del estado del arte. Los principios rectores del diseño serán el menor coste posible, la accesibilidad y la eficiencia energética.

Este enfoque de múltiples niveles combinará varios tipos de tecnologías de software para analizar, filtrar, distribuir, almacenar y recuperar datos en hardware que abarca desde medios de almacenamiento tradicionales como cintas magnéticas y discos duros hasta tecnologías de reciente desarrollo como la memoria de cambio de fase . La idoneidad de los diferentes medios de almacenamiento depende en gran medida de los patrones de uso al escribir y leer datos, y estos patrones cambiarán con el tiempo, por lo que también debe haber margen para modificaciones en los diseños. ^{[ 6 ]}

El transporte de datos es un factor clave que influye en el diseño, desde las escalas más grandes hasta las más pequeñas de DOME. El coste de la comunicación eléctrica mediante cables de cobre impulsará la aplicación de interconexiones fotónicas de baja potencia , desde conexiones entre antenas de captación y centros de datos hasta la conexión de dispositivos dentro de los ordenadores. Tanto IBM como ASTRON cuentan con programas de investigación avanzados en nanofotónica , formación de haces y enlaces ópticos , y aunarán sus esfuerzos para los nuevos diseños. ^{[ 7 ]}

Este proyecto de investigación se divide en cuatro secciones de I+D que investigan las interconexiones ópticas digitales, las interconexiones ópticas analógicas y el procesamiento de señales ópticas analógicas.

1. Tecnología de interconexión óptica digital para tarjetas de procesamiento de señales astronómicas .
2. Tecnología de interconexión óptica analógica para frontales de matrices de plano focal .
3. Tecnología de interconexión óptica analógica para módulos receptores de matriz de fase fotónica.
4. Tecnología analógica de interconexión óptica y procesamiento de señales para matrices de plano focal fotónico.

En febrero de 2013, en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido (ISSCC), IBM y la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) en Suiza mostraron un convertidor analógico-digital (ADC) de 100 Gbit/s . ^{[ 8 ]} En febrero de 2014, en la ISSCC, IBM y ASTRON hicieron una demostración de un ADC de 400 Gbit/s. ^{[ 9 ]}  

En 2012, un equipo de IBM liderado por Ronald P. Luijten comenzó a desarrollar un diseño de servidor de computación de 64 bits , de alta densidad computacional y eficiencia energética, basado en componentes estándar y con sistema operativo Linux . Un diseño de sistema en chip (SoC), donde la mayoría de los componentes necesarios se integraran en un solo chip, se ajustaba mejor a estos objetivos. Así surgió la definición de "microservidor", que consistía esencialmente en integrar una placa base completa (excepto la RAM y la memoria flash de arranque) en un chip. Se investigaron soluciones basadas en ARM , x86 y Power ISA , y la solución más prometedora fue la basada en el procesador de doble núcleo P5020 / cuatro núcleos P5040 de Freescale , también basado en Power ISA .

Los procesadores tradicionales de alto rendimiento alcanzaron un límite a finales de la década de 2000, cuando las velocidades de reloj dejaron de aumentarse debido al incremento de los requisitos energéticos. Una de las soluciones consiste en incluir hardware para descargar las tareas más comunes o que requieren mayor capacidad de cálculo a hardware especializado denominado aceleradores . Esta área de investigación se centrará en identificar estas áreas y diseñar algoritmos y hardware para superar los cuellos de botella. Probablemente habrá aceleradores para detección de patrones , análisis sintáctico , búsqueda de datos y procesamiento de señales . El hardware será de dos clases: aceleradores fijos para tareas estáticas o aceleradores programables para un conjunto de tareas con características similares. El proyecto también estudiará la computación masivamente paralela utilizando procesadores gráficos comerciales . ^{[ 10 ]}

El proyecto de muestreo compresivo es una investigación fundamental sobre procesamiento de señales en colaboración con la Universidad Tecnológica de Delft . En el contexto de la captura, el análisis y el procesamiento de señales en radioastronomía requieren una gran capacidad de cálculo en conjuntos de datos enormes. El objetivo es realizar el muestreo y la compresión simultáneamente y utilizar el aprendizaje automático para detectar qué conservar y qué descartar, preferiblemente lo más cerca posible de los recolectores de datos. El objetivo de este proyecto es desarrollar algoritmos de muestreo compresivo para capturar la señal y calibrar los patrones que se conservarán, en un número cada vez mayor de grupos de patrones . La investigación también abordará el problema de la degradación de la calidad de los patrones, la detección de valores atípicos , la clasificación de objetos y la formación de imágenes. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

La transferencia de datos desde los recolectores a las instalaciones de procesamiento suele verse ralentizada por la alta latencia de E/S , las conexiones de bajo ancho de banda y la frecuente multiplicación de datos durante el trayecto debido a la falta de un diseño adecuado de la red de comunicación. Este proyecto de investigación intentará reducir la latencia al mínimo y diseñar los sistemas de E/S para que los datos se escriban directamente en los motores de procesamiento de un ordenador de exaescala . La primera fase identificará los cuellos de botella del sistema e investigará el acceso remoto directo a memoria (RDMA). La segunda fase investigará el uso de la tecnología RDMA estándar en redes de interconexión. La tercera fase incluye el desarrollo de prototipos funcionales. ^{[ 13 ]}