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搜索脉冲星,ASC大赛拉近了我们和宇宙的距离

原创 服务器/存储 作者:陶然 时间:2021-01-14 09:41:42 0 删除 编辑

  2020年1月,有“中国天眼”之称的500米口径球面射电望远镜(FAST)通过验收。而今,FAST已正式运行超过365天。前不久,国家天文台表示,FAST已发现脉冲星数量超过240颗。在“天眼”的帮助下,中国科研团队迅速成为国际快速射电暴领域的核心研究力量。

  很多人会认为,这件事似乎距离我们这样的普通人很远,但是今天,ASC20-21世界大学生超算竞赛拉近了普通人与前沿科技的距离。因为,用“天眼”搜索脉冲星成为本届大赛预赛赛题之一。

   脉冲星搜索难在哪里?

  脉冲星是近现代天文学、物理学领域的前沿研究课题。研究它们可以解决许多重大科研问题,例如引力波探测、航天器导航等等,科学家们通过高精度的脉冲星计时研究,就可以利用脉冲星建立宇宙级的“GPS”,准确推算航天器在宇宙航行的坐标。

  脉冲星搜索是开启脉冲星研究的第一步,而目前发现的3000余颗脉冲星仅仅是全部脉冲星的一小部分。脉冲星遥远而致密,我们无法像夜晚看星星那样看到脉冲星,需要借助最专业的天文望远镜才能一窥真容,FAST的一大科学目标就是搜寻脉冲星。

  脉冲星搜索非常困难,背后有两大原因。第一,在地球和周围的环境中,存在大量的射频干扰,这些干扰比脉冲星信号强得多,如何识别消除干扰信号是脉冲星搜寻的一大难题。

  第二,观测数据量庞大,FAST观测脉冲星每秒会产生3GB数据,月数据量达到了PB量级,这样大量的数据既难于处理,又难以储存。为了能够及时分析FAST产生的庞大数据,科学家需要使用性能强大的超级计算机对观测数据进行分析处理。此外,软件的优化也尤为必要。

  脉冲星搜索开源软件PRESTO就是当前科学家们使用的核心工具软件之一,它的主要设计目的是从对球状星团的长距离观测中有效地搜索毫秒脉冲星。据统计,在过去的几十年里,利用望远镜发现的3000多颗脉冲星中,有700多颗是借助PRESTO发现的。

  ASC20-21的脉冲星搜索赛题要求各参赛队伍在功耗约束在3000W以内的超算平台上,通过PRESTO运行组委会统一提供的FAST观测数据集,最终准确寻找到脉冲星候选体,并且要对PRESTO运行过程进行分析和优化,尽可能地降低计算时间和所需资源。

  笔者看来,脉冲星搜索赛题是对各参赛队伍从理论到应用实践的全方位挑战。这将有助于大学生拓展天文学理论知识,激励他们发挥聪明才智和创新精神,去探索宇宙奥秘。

   量子计算与AI,一个都不能少

  脉冲星搜索还只是本届大赛的赛题之一,除此之外,还有量子计算线路模拟和人工智能NLP英语考试两道赛题。

  量子计算模拟赛题是ASC20延续下来的赛题,各参赛队伍需要在超级计算机上使用QuEST软件,模拟使用30个量子比特组成的量子随机线路和量子快速傅里叶变换量子线路。这对计算和内存有一定的需求,要求参赛学生不仅具备扎实的超算基本功,还要深入了解量子计算的背景、原理和基础知识,从而找到合适的优化方法,尽可能缩短程序的运行时间或降低对计算资源的依赖。

  当然,今年ASC的人工智能语言考试赛题也颇为有趣,所有参赛队伍需要经历一场特殊的英语考试——使用组委会统一提供的英语完形填空数据集,自行训练能够理解人类语言的人工智能模型,并让模型取得尽可能高的“考试分数”。

  AI语言赛题使用的数据集涵盖了中国多层次的英语语言考试,包括高考、大学英语四六级考试、考研英语等。其中,训练集包含4603个段落和83395个问题,验证集包含400个段落和7798个问题,测试集包含400个段落和7829个问题。

  同时组委会规定各参赛队伍的超算系统不得超出3000W功耗,因此实际能够使用的计算资源非常有限,如何优化计算资源以最大化发挥超算赛力,也是各参赛队伍需要考虑的重要问题。

  笔者认为,AI的兴起为超级计算开启了崭新的世界,如何实现超级计算技术与人工智能技术的融合,将成为未来超算发展的重要方向。

   ASC大赛在超算人才培养的路上砥砺前行

  当前,越来越多科学研究和重大工程中的关键问题,已无法单纯依靠理论和实验研究方法加以解决,大规模、高性能的计算和模拟提供了新的研究途径。

  ASC竞赛通过传统科学计算与新兴人工智能计算的赛题设计,对超级计算应用普及和技术推广具有重要价值,比赛培养了大学生在高性能计算方面的动手实践能力和思考创新能力,激发了他们对超算的兴趣和热爱,有力推动了超算青年人才的培养和交流,探索了未来人工智能时代“以赛带学、以赛促练”的超算人才培养新模式。

  “书山有路勤为径,学海无涯苦作舟”,如果你想在无边无际的知识海洋里畅游,耐心、尽力、刻苦的学习态度将是一艘前行的船,能够载你驶向成功的彼岸。笔者看来,ASC大赛就是这样一艘船,除了需要勤奋和刻苦作为动力,还需要持之以恒。

  从2012年开赛到今天,ASC大赛走过了9个春秋,也发展成为世界上规模最大的大学生超算竞赛。ASC大赛不忘初心,通过平台推动各国及地区间超算青年人才交流和培养,提升超算应用水平和研发能力,发挥超算的科技驱动力,促进科技与产业创新。

  经过这么多年的培养,如今越来越多的超算人才都有了用武之地,他们在科研单位、在高校、在商业公司中发挥了重要的作用。ASC大赛很好的起到了“以赛带学、以赛促练”的作用,让一批批对超算有兴趣、有热情、有理想的年轻人迅速成长起来,并通过不断的培养和实战让他们在超算应用中发挥越来越大的价值。

  ASC20-21超算竞赛已结束预赛阶段的比拼,入围决赛的20强队伍将于1月18日公布。总决赛将于5月8日-12日在位于中国深圳的南方科技大学举行,届时又会给我们带来哪些精彩的故事呢?让我们拭目以待!

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