Применение распределенных вычислений в астрономии
В настоящее время астрономия активно развивается не только благодаря использованию
прямых наблюдений в разных диапазонах электромагнитного спектра. Многие объекты и процессы непосредственно зафиксировать бывает довольно затруднительно. Поэтому используются различные методы косвенного обнаружения и исследования на основании имеющихся данных. И тут без анализа больших объёмов информации не обойтись. В таких случаях на помощь приходят распределённые вычисления, суть которых состоит в том, что объёмная вычислительная задача делится на множество небольших заданий, которые раздаются на компьютеры пользователей через интернет, вычисления производятся локально, после чего готовые результаты отправляются обратно на сервер научного центра.
История применения распределённых вычислений в области астрономии начинается с 17
мая 1999 года, когда был запущен знаменитый проект SETI@Home, который занимается поиском сигналов внеземных цивилизаций. Основатели проекта – Д. Геди и К. Кэснов из лаборатории космических исследований Калифорнийского университета в Беркли. На радиотелескопе обсерватории Аресибо (Пуэрто-Рико) записывается космический шум. Любой пользователь, подключенный к сети интернет, может установить на свой компьютер программу-клиент для проекта SETI@Home. Эта программа скачивает через интернет с серверов проекта небольшую порцию данных, записанных с радиотелескопа, и в течение нескольких часов обрабатывает их. Обработка заключается в попытке выделить из космического (и техногенного) шума сигналы, возможно принадлежащие внеземным цивилизациям.
Следующим большим шагом в истории развития распределённых вычислений стал момент, когда разработчики из того же самого университета
Беркли решили создать для своего проекта SETI@Home программную платформу BOINC. А после появления универсальной версии этой платформы, вслед за SETI@Home на её основе возникло множество проектов распределённых вычислений из различных областей науки. Да и сам проект SETI@Home за несколько лет значительно видоизменился. Постоянно совершенствуется и оптимизируется счётный модуль. Основная работа по совершенствованию счётного модуля велась в направлении, чтобы счётный модуль смог игнорировать помехи и сигналы земного происхождения.
В 2008 году помимо основного приложения, которое анализирует данные в диапазоне частоты 1420 МГц, было запущено ещё и новое, дополнительное приложение Astropulse, которое в рамках этого же проекта изучает данные в значительно более широком диапазоне частот. До середины 2011 года проект SETI@Home анализировал данные, просто записанные радиотелескопом с различных участков неба. Однако с середины 2011 года проект начал исследовать звёздные системы, где были открыты экзопланеты.
Для исследований были выбраны 86 планет, ранее обнаруженных космическим телескопом Kepler. Из множества открытых экзопланет, для исследований были отобраны именно те 86, температура поверхности которых от 0 до 100 градусов, т.е.
подразумевает наличие воды в жидкой фазе. Таким образом, поиски в SETI@Home стали более целенаправленными.
Наконец, в проекте SETI@Home, помимо счётных приложений для центрального процессора, были созданы и запущены в работу приложения, использующие для счёта графические процессоры видеокарт NVidia и ATI. У современных видеокарт имеются десятки и даже сотни графических процессоров и разработаны библиотеки (CUDA, OpenCL), позволяющие задействовать их не для обработки графических изображений, а для параллельных математических вычислений. Приложения для видеокарт в проекте распределённых вычислений SETI@Home предоставляют возможность в десятки раз ускорить выполнение задания по анализу сигнала, записанного с радиотелескопа.
До сих пор в мире проект SETI@Home остаётся одним из самых популярных среди всех (не только астрономических) проектов добровольных распределённых вычислений. К концу июня 2014 года в проекте приняло участие свыше 1,4 миллиона человек со всего мира, было подключено свыше 3,6 миллионов компьютеров. В начале 2012 года, после того, как полгода производился анализ сигналов из звёздных систем, где есть экзопланеты, было обнаружено несколько подозрительных сигналов, однако пока нет точной уверенности, что они произведены именно внеземным разумом, а не являются земными помехами. Телескоп Kepler открывает по многу экзопланет в день, поэтому вероятность обнаружения внеземных цивилизаций все же пока остается весьма низкой.
Но рассмотрим и другие проекты распределённых вычислений, ведущие исследования
в области астрономии. Вторым по популярности среди пользователей является проект Einstein@Home (см. рисунок в начале статьи). Этот проект был запущен в 2005 году. Проект координируется Университетом Висконсина-Милуоки (Милуоки, США) и Институтом гравитационной физики имени Макса Планка (Ганновер, Германия). В проекте поставлено несколько задач. Ведётся обработка данных, поступающих сразу из нескольких обсерваторий. Данные, идущие с двух интерферометров обсерватории LIGO (Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории) и интерферометра GEO600 анализируются проектом с целью проверки гипотезы Эйнштейна о существовании гравитационных волн. С 2009 года в рамках проекта начался поиск радиопульсаров. Для решения этой задачи анализируются данные, полученные с радиотелескопа обсерватории Аресибо (Пуэрто-Рико) и радиотелескопа обсерватории Паркс, которая находится в Австралии. Открывшему пульсар в Einstein@Home высылается именной сертификат в рамочке от руководителя проекта Брюса Аллена. К настоящему времени (август 2017 года) проектом обнаружено 54 новых радиопульсаров (1 в 2010 году, 15 в 2011, 30 в 2012, 1 в 2013, 1 в 2014 и 5 в 2015 году).
Также в рамках этого проекта производится поиск гамма-пульсаров, для чего анализируются данные, полученные в гамма-обсерватории Fermi. При анализе данных с гамма-телескопа GLAST за 4 прошедших года были открыты 18 гамма-пульсаров.
Две другие активные задачи этого проекта в настоящее время являются поиск гравитационных волн от направления, соответствующего сверхновой Кассиопея A и подробное исследование рукава Персея на предмет поиска радиопульсаров. Прочитать подробнее о проекте и ознакомиться с его открытиями Вы можете на странице
http://ru.wikipedia.org/wiki/Einstein@Home.
Совсем недавно, летом 2012 года, в Международном центре радиоастрономических
исследований (The International Centre for Radio Astronomy Research) стартовал новый проект the SkyNet POGS. Цель этого проекта – создать многоволновый атлас ближайшей Вселенной в ультрафиолетовом, оптическом и инфракрасном диапазонах. Для этого на компьютерах добровольцев обрабатываются данные, полученные с трёх разных телескопов (GALEX – орбитальный космический телескоп, работающий в ультрафиолетовом диапазоне; система оптических телескопов PanSTARRS1; инфракрасный космический телескоп WISE). Проектом изучаются такие физические параметры, как звёздная масса галактик, поглощение излучения пылью, масса пылевой компоненты, скорость образования звёзд. Адрес, который нужно ввести в BOINC для подключения к проекту the SkyNet POGS следующий: http://pogs.theskynet.org/pogs/ Также интересно отметить, что программа-планетарий Stellarium может показать пользователю все галактики, которые были обработаны на его компьютерах.
Также недавно теми же разработчиками, что и theSkyNet POGS, был запущен новый проект theSkyNet Sourcefinder https://sourcefinder.theskynet.org/duchamp/ . Он занимается моделированием поиска расположения радиоисточников в определённом заданном кубе
данных. Пока проект находится в стадии тестирования (на смоделированных данных
тестируется счётное приложение), но в будущем этот проект будет вести уже анализ реальных полученных данных. Однако этот проект для расчётов помимо BOINC использует ещё и виртуальную машину Oracle VirtualBOX, а, следовательно, очень требователен к оперативной памяти компьютера и потребляет большой Интернет-трафик.
Также недавно был запущен новый проект Asteroids@Home. Его цель – определение формы, параметров вращения и направление оси вращения астероидов по данным фотометрических наблюдений. Проект обрабатывает данные из Центра малых планет (MPC). Уже получены первые научные результаты, которые опубликованы на странице проектаhttp://asteroidsathome.net/scientific_results.html. Чтобы присоединиться к проекту Asteroids@home, в BOINC нужно ввести адрес: http://asteroidsathome.net/boinc/ .
В начале января 2014 года в проектеAsteroids@Home помимо счётного приложения для
центрального процессора было выпущено счётное приложение, которое не использует центральный процессор, а считает только на видеокартах NVidia.
Это приложение во много раз позволяет ускорить время расчёта одного задания.
Помимо основных проектов распределённых вычислений есть также вспомогательные, тестовые проекты. Это два проекта – SETI@Home Beta (адрес для подключения: http://setiweb.ssl.berkeley.edu/beta/) и Albert@Home (адрес для подключения: http://albert.phys.uwm.edu/). Они не занимаются научными расчётами, а ведут расчёты только для теста новых программных счётных модулей, недавно разработанных. Соответственно, SETI@Home Beta тестирует новые счётные модули для основного проекта SETI@Home, а проект Albert@Home занимается тестом новых счётных модулей для проекта Einstein@Home. Однако участие пользователей в этих двух проектах также очень важно и интересно. Ведь чем быстрее будут протестированы и отлажены новые счётные модули в тестовом проекте, тем быстрее они будут выпущены в основной проект, и тем быстрее он будет продвигаться. Поэтому сейчас присоединиться к счёту проектов SETI@Home Beta и особенно Albert@Home может быть также интересно для многих пользователей, желающих внести вклад в развитие астрономии с помощью распределённых вычислений. Также из области астрономии существует проект Orbit@home, который изучает траектории движения всех малых тел, проходящих рядом с Землёй. В 2008 году проектом смоделировано падение астероида 2008 TC3 на теневую сторону Земли. Однако в настоящее время проект временно приостановлен. Но его в ближайшем будущем всё же планируют запустить снова. Следите за новостями на сайте проекта http://orbit.psi.edu/ и сайтах статистики распределённых вычислений (например,http://boincstats.com/ ), когда он будет снова запущен и какой будет его новый адрес.
Принять участие в проектах распределённых вычислений может каждый. Для этого достаточно иметь современный компьютер и постоянное подключение к Интернету (желательно по безлимитному тарифу, поскольку, например, проекты Albert@Home и Einstein@Home потребляют достаточно большой трафик для загрузки данных для
анализа). На компьютер нужно установить программную оболочку BOINC, которую можно загрузить с официального сайта по ссылке
http://solidstate.karelia.ru/~yura/pyldin/yura/ekrans2/boinc... приведена иллюстрация процесса установки программы BOINC, она достаточно проста и сложностей не вызывает. После подключения к проекту можно зайти в созданный аккаунт на его сайте и выбрать настройки, такие, как например, получать ли задания для видеокарты или только для
центрального процессора и другие.
Помимо астрономических проектов можно также подключить в BOINC и поддержать несколько отечественных российских проектов, ведущих исследования в других областях науки, например: Acoustics@home http://www.acousticsathome.ru/boinc/ - проект для решения обратных задач в подводной акустике. SAT@home http://sat.isa.ru/pdsat/ - различные задачи в области математики. XANSONS for COD http://xansons4cod.com/xansons4cod/ - проект из области материаловедения. Все заинтересовавшиеся могут получить ответы и поддержку на многих русскоязычных сайтах и форумах, посвящённых распределённым вычислениям. Основная мотивация к участию в проектах распределённых вычислений – это помощь науке, стремление принять участие в научных исследованиях, тем более что в данном случае от пользователя практически ничего не требуется (задания на компьютере выполняются в фоновом режиме на низком приоритете и поэтому незаметно для пользователя). Кому-то может быть будет даже интересно посоревноваться в количестве выполненных заданий с другими участниками или командами. Но основное – это привлечь практически неиспользуемый во время набора текста или использования интернета процессор и видеокарту на решение многих интересных научных задач в области астрономии.
