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2012年12月25日 アルマ望遠鏡専用スーパーコンピュータ「アルマ相関器」が完成

アルマ望遠鏡に、世界で最も高性能なスーパーコンピュータの一つが備え付けられました。「アルマ相関器 (ALMA Correlator)」と呼ばれるこのスーパーコンピュータは1億3400万個のプロセッサを持ち、1秒間に1京7000兆(17,000,000,000,000,000)回の計算を行うことができます。これは、現在世界最高性能のスーパーコンピュータとほぼ同等の性能です(注1)。この相関器は、米欧が製造する50台の12mアンテナ(12mアレイ)で受信された電波を処理するための専用スーパーコンピュータで、これによって50台のアンテナがひとつの巨大の電波望遠鏡として使えるようになります。なお、日本が分担した16台のアンテナで受信した電波は、日本が製造したACA相関器で処理されます。ACA相関器は1秒間に120兆回の計算能力を持ち、すでにアルマ望遠鏡山頂施設(標高5000m)に設置が完了しています。ACA相関器はアルマ相関器に比べて1秒間の計算回数が少ないですが、これは処理すべきデータ量の違いに加え、できるだけ計算の回数を減らし効率的にデータを処理するための様々な工夫の成果です。

アルマ相関器は、米国国立科学財団(NSF)が予算を出し米国国立電波天文台(NRAO)が設計・製造・設置を分担しました。この相関器は一部が既にアルマ望遠鏡の科学観測のために使用されており、惑星の誕生や銀河の進化を解明する研究を支えています。

アルマ望遠鏡は、観測するときには多くのアンテナを一斉に一つの天体に向けます。光の望遠鏡と違ってすぐに天体の画像を得ることはできず、数多くの数学的処理を行うことでようやく宇宙の「電波写真」を作り出すことができます。相関器は、この数学的処理の最も重要な部分を担うコンピュータです。多くのアンテナで受信された電波を組み合わせて画像を作るには、あるアンテナで受信された電波とそれ以外のアンテナ1台1台で受信された電波を比較しながら合成していく必要があります。アルマ相関器は最大で64台のアンテナ(2016通りのアンテナの組み合わせ)で受信した電波を毎秒1.7京回の計算で処理することができます。

「アルマ相関器の設置完了は、アルマ望遠鏡という国際プロジェクトの中での北米からの貢献としては非常に重要なもののひとつです。」と、NRAOの北米アルマプロジェクト・ディレクターであるマーク・マッキノン氏は語ります。「技術的な困難も多くありましたが、それらを乗り越えて今回の設置完了までこぎつけました。」

相関器の設計における重大な困難のひとつは、費用でした。「私たちがこのプロジェクトを進めていた時の試算では、必要な計算性能を市販のパソコンで得るには約1000億円分という莫大な金額になりました。しかし専用スーパーコンピュータの設計を進め、10億円ほどで作り上げることができました。」と、NRAO中央開発実験室のまとめ役であったジョン・ウェバー氏は語っています。

この相関器が極限環境に設置されるということも困難の一つでした。相関器は標高5000mにある山頂施設観測技術棟に設置されますが、この標高では空気が薄いため、通常のパソコンと同じように空冷ファンを使ってコンピュータを冷却するためには、平地に比べて2倍の量の空気を流さなくてはいけません。またハードディスクはこのような空気の薄い環境では故障確率が上がってしまうため、ハードディスクを搭載しない構成にする必要がありました。

アルマ望遠鏡山頂施設の薄い空気は、人間の作業効率にも影響を与えます。通常運用時には山頂施設観測技術棟は無人となりますが、相関器の設置には20週間にわたる作業が必要でした。「同じ色をした何千本ものケーブルを間違いなく相関器に接続していくことは大変な作業です。平地できちんとラベルをつけておくことで、効率的に作業を進めることができました。」と、NRAOの相関器チームリーダーであるリッチ・ラカシー氏は語ります。

下の写真は、酸素ボンベを背負って相関器をチェックする、相関器技術者のエンリケ・ガルシア氏です。
Credit: ESO/Max Alexander

アルマ望遠鏡の欧州パートナーである欧州南天天文台(ESO)は、550枚の次世代回路基板をアルマ相関器に提供しました。ヨーロッパの相関器チームリーダーであるアラン・ボードレー氏(フランス・ボルドー大学)は「この基板は、アルマ望遠鏡がとらえた電波を細かい周波数に分けることができます。これにより、星が作られるようなガスや非常に遠方の銀河の観測で必要になる、精密な周波数測定が可能になります。」とその重要性を強調します(注2)。

2011年に一部のアンテナを用いて開始されたアルマ望遠鏡の初期科学観測では、このアルマ相関器の一部が既に使われています。相関器の設置がすべて完了したことで、より多くのアンテナを用いた観測が可能になり、これによって感度も電波写真の画質も向上することが期待されています。


[1] 2012年11月に発表された一般用途向けスーパーコンピュータの性能ランキングTOP500では、クレイ社の「タイタン」が1秒間に1京7590兆回の浮動小数点演算性能で第1位となっています。アルマ望遠鏡の相関器は電波望遠鏡で集めた信号を合成する目的に特化したスーパーコンピュータであり、通常のスーパーコンピュータは計算の方法や精度が異なるので、このランキングには掲載されていません。
[2] この回路基板は、オランダの天文学研究機関ASTRONとイタリアのアルチェトリ天文台がボルドー大学と共同で開発した相関器に関する新しい技術を導入したものです。

下の写真は、山頂施設に設置されたアルマ相関器です。写真に写っているものと同じものが合計4台あり、全体でひとつの相関器を構成しています。
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Argandoña

アルマ望遠鏡専用スーパーコンピュータ「アルマ相関器」が完成

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