天文学是最古老的观测科学之一，但用肉眼从光学望远镜中只能看到20,000颗星星，这样的资料对于科学家来说并不充份——如今，电波天文学正逐渐转变为一门资料科学…
电波天文学(radio astronomy)的资料越来越多，混合存储器立方体(Hybrid Memory Cube；HMC)可望有助于处理这些“从天而降”的大量资讯。
天文学是最古老的观测科学之一，南非“平方公里列阵”(Square Kilometre Array，SKA)计划科学运算技术主管Simon Ratcliffe指出，用肉眼从光学望远镜中只能看到20,000颗星星，“如果你是科学家，这样的资料并不充份。”而今，电波天文学也正转变为一门资料科学。
无线电望远镜拥有庞大且密集的资料量。例如预计在2024年完成的SKA，以及在那之前号称南半球最大且具有最高灵敏度的MeerKAT (位于南非北开普省)。Ratcliffe说，即使MeerKAT的64根天线中目前只有16根天线能运作，已足以在宇宙中一个安静的角落侦测到天文学家从未探索过的1,500个新星系。
他补充说，随着天线进一步移动且分开得更远，仍然具有一定的解析度让你看到更精密的细节。超高的解析度结合更强大的天线，就能收集到更大量的资料。大约在10年前，天文学家能够将资料下载至笔记型电脑后使用，而今在导入先进的仪器后产生如此庞大的资料量，而无法再下载至笔记型电脑了。Ratcliffe说，其挑战之处在于找到如何从所有的资料中撷取知识的方法。他形容SKA是一项大瞻且创新的“登月计划”(moonshot)。它至少会比以往的规模更大10倍，而且将性能推到了极限。”
在MeerKAT的64根天线中，每一根天线都以每秒40Gb的速率产生资料串流，总输入资料速率约为每秒2.5terabit (TB)
SKA数位后端子系统经理Francois Kapp表示，要说明挑战来自于何处，更有意义的是先了解讯号如何组成：前端数位器的任务顾名思义就是要将类比讯号转换为数位讯号。这是以MeerKAT的64根天线来进行的，每根天线以每秒40Gb的速率串流实现。“总输入资料速率大约是每秒2.5TB。”
随着天文学家转而采用更现代化、更复杂的仪器，Kapp说，他们必须在两方面赶上这种资料速率：一是必须提高存储器深度，同时，还必须增加记忆宽度。“所幸在实际上可以透过分配存储器来进行，”他说。
这些演算法也很简单，但来自于每根天线的资料不断累积起来，而且一天24小时不曾间断。 Kapp说：“我们不需要太高的数值精确度，因此这为我们开启了机会；但在另一方面，功率受到严重的限制。”
讯号处理是美光科技(Micron Technology)的HMC得以利用SKARAB发挥作用之处。SKARAB是MeerKAT望远镜的数位处理平台。它成功地采用可重配置开放架构(ROACH-2)，以及配备3,600个讯号处理元素。高性能的HMC让工程师得以为存储器容量与资料频宽搭配需的处理能力。
SKARAB将资料速率从10Gbps大幅提高到40Gbps (预计来自MeerKAT天线的资料)，以升级的连网能力提升ROACH架构。Kapp认为仅凭添加更多的存储器容量是不够的。
SKARAB平台以现场可编程阵列(FPGA)为基础，新一代的SKARAB预计每两到三年推出更新版，并搭配新型的FPGA芯片。“FPGA非常适于建立关联性，”他说，“我们必须解决的问题是可用于搭配深度与宽度的存储器。随着芯片越来越大，深度较易于实现，但宽度则不然。”Kapp并补充说，HMC的序列介面结合FPGA(朝序列介面过渡)，并结合openHMC控制器，选择HMC作为SKARAB平台的存储器首选。
美光的Hybrid Memory Cube是MeerKAT望远镜SKARAB数位处理平台的关键技术
德国海德堡大学(University of Heidelberg)电脑科学研究员Juri Schmidt表示，OpenHMC对于满足MeerKAT和SKA的资料处理需求至关重要。由海德堡大学电脑基础架构小组(Computer Architecture Group；CAG)开发的开放来源计划——openHMC，是一个可配置、独立于供应商且符合AXI-4标准的HMC控制器，能根据不同的资料宽度、外部通道宽度要求和时脉速度等条件进行参数化，具体取决于速度和面积要求。Schmidt说：“复杂度已经转移到存储器堆叠了，因此取决于制造商如何处理这种复杂度。”
更重要的是打造主控制器的能力，毕竟，购买商用技术并不具经济效益，研究人员可能无法取得该技术，Schmidt补充说。“我们已经看到对于控制器的诸多贡献了。如今，我们需要开放社群共同推动这些创新。”他并肯定Micron Foundation对于该技术的支持和接取。
Micron美光科技先进运算解决方案副总裁Steve Pawlowski表示，为MeerKAT和SKA等研究计划提供HMC技术，可望为未来的开发带来宝贵的资源。Pawlowski说，“在与学术界合作以及研究人员合作的过程中，将会得到巨大的价值。”他们的回馈有助于改善产品，Pawlowski强调，“我们知道最终这个产品将会成为主流。”
编译：Susan Hong
(参考原文：Hybrid Memory Cube Powers Galaxy Quest，by Gary Hilson)
