為引力波探測“加速” 中國清華團(tuán)隊(duì)追求“快到極致”

　　沒有任何天文物理背景，計(jì)算機(jī)科學(xué)家曹軍威卻一心撲上去和引力波“糾纏”了十多年。這讓他更確信，在未來的引力波探測中，運(yùn)算速度將變得越來越重要，甚至直接事關(guān)成敗。

　　去年10月，多國科學(xué)家宣布，人類首次直接探測到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波及其伴隨的電磁信號(hào)，令全球天文界震動(dòng)。

　　實(shí)時(shí)引力波數(shù)據(jù)監(jiān)測示例。 新華社發(fā)圖片由都志輝提供

　　其實(shí)，引力波發(fā)現(xiàn)的過程，就是一場與時(shí)間的賽跑。美國“激光干涉引力波天文臺(tái)”(LIGO)發(fā)現(xiàn)引力波信號(hào)后的1.7秒，美國費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡就觀測到疑似對(duì)應(yīng)的伽馬射線暴。LIGO和費(fèi)米立即向天文界發(fā)送警報(bào)，隨后，全球約70個(gè)地面及空間望遠(yuǎn)鏡從紅外、紫外、X光等不同波段展開全面的后續(xù)觀測。正是因?yàn)樘綔y到了電磁信號(hào)，科學(xué)家才能在茫茫宇宙中進(jìn)一步精確定位出引力波的源頭。

　　這樣的合作模式開啟了“多信使天文學(xué)”的大幕，這意味著更多更神秘的宇宙謎團(tuán)將一步步由此揭開。

　　天文學(xué)新時(shí)代的到來比曹軍威預(yù)料的更早，這讓他非常高興。正如他所判斷的，一個(gè)關(guān)鍵因素是運(yùn)算要快，越快越好。

　　2004年，還在國外留學(xué)工作的曹軍威憑借計(jì)算機(jī)方面的特長加入了麻省理工學(xué)院LIGO實(shí)驗(yàn)室，從此和引力波結(jié)下不解之緣。2009年，他帶領(lǐng)清華大學(xué)信息技術(shù)研究院工作組(簡稱“清華工作組”)加入LIGO科學(xué)合作組織，參與數(shù)據(jù)處理工作。

　　“當(dāng)時(shí)我們是LIGO科學(xué)合作組織里唯一的中國工作組，也是很獨(dú)特的一個(gè)工作組，因?yàn)槲覀兯谐蓡T都沒有天文物理背景，而是從事計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化研究的。”曹軍威說。

　　前五年，清華工作組主要側(cè)重于計(jì)算平臺(tái)搭建和數(shù)據(jù)分析。但是，基于專業(yè)敏感和自身特長，他們隨后把提高運(yùn)算速度作為自己的目標(biāo)。然而，“快到極致”究竟有什么意義，當(dāng)時(shí)很多人對(duì)此并沒有清晰明確的認(rèn)識(shí)。

　　“我們一開始就提出，快速運(yùn)算可以服務(wù)于多信使天文學(xué)，因?yàn)檫@需要在引力波信號(hào)發(fā)現(xiàn)后，立刻協(xié)調(diào)其他設(shè)備共同觀測，當(dāng)然是算得越快越準(zhǔn)越好。”曹軍威說，“只是沒想到，這一切來得這么快。”

　　一方面，曹軍威和他的清華同事有了大展才華的空間，另一方面，他們也將面臨更多的挑戰(zhàn)和壓力。

　　LIGO于2017年8月25日結(jié)束第二次科學(xué)運(yùn)行，并計(jì)劃于今年七八月間開始第三次科學(xué)運(yùn)行，這期間的主要工作是升級(jí)探測器，進(jìn)一步提高靈敏度。“靈敏度提高了，探測到引力波的幾率就會(huì)大大增加。原來可能一年發(fā)現(xiàn)幾次信號(hào)，將來可能每月，甚至每天都能發(fā)現(xiàn)信號(hào)，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)處理速度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上這個(gè)節(jié)奏。”曹軍威說。

　　清華大學(xué)LIGO科學(xué)合作組織工作組成員都志輝老師在進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。 新華社發(fā)圖片由都志輝提供

　　據(jù)介紹，LIGO科學(xué)合作組織包括上千名科學(xué)家，其中大約400名負(fù)責(zé)建造和運(yùn)行天文臺(tái)，其余都是從事數(shù)據(jù)處理分析工作的。他們分成多個(gè)組來處理探測數(shù)據(jù)，比如引力波暴數(shù)據(jù)分析組(Burst)、致密雙星并合數(shù)據(jù)分析組(CBC)、連續(xù)波數(shù)據(jù)分析組(CW)以及引力波隨機(jī)背景數(shù)據(jù)分析組(Stochastic)等。

　　“清華工作組只承擔(dān)了其中很小一部分，現(xiàn)在主要參與CBC的加速工作、探索使用計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等。”曹軍威說。

　　為了方便大眾了解引力波，科學(xué)家們每次都會(huì)把LIGO的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換成生動(dòng)直觀的圖像甚至是視頻，而它們其實(shí)來源于LIGO探測器每秒采樣16000次形成的密集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，要經(jīng)過除噪、比對(duì)等一系列處理，才能供研究引力波之用。

　　為此，清華工作組和西澳大學(xué)合作，建立了一條新型的低延遲引力波數(shù)據(jù)處理流水線：首先，天文臺(tái)將觀測數(shù)據(jù)打包傳送到數(shù)據(jù)中心;然后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;接下來，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)與大量引力波數(shù)據(jù)模板進(jìn)行快速并行匹配，以確定信號(hào)是不是引力波;最后，發(fā)出預(yù)警，協(xié)同觀測。

　　“以前，這個(gè)過程大概需要幾分鐘。后來，我們對(duì)濾波算法進(jìn)行了加速，可以在1秒內(nèi)完成數(shù)據(jù)和上萬個(gè)引力波數(shù)據(jù)模板的匹配，從而把整個(gè)過程縮短到十幾秒。我們下一步的目標(biāo)是3至5秒。”同在清華工作組里的都志輝副教授說。

　　“引力波對(duì)應(yīng)的電磁信號(hào)的發(fā)現(xiàn)，恰恰印證了高性能并行計(jì)算的必要性。當(dāng)引力波過來時(shí)，一些伴隨引力波的電磁信號(hào)間隔時(shí)間可能非常短，僅僅只有幾秒，要捕捉這些很快出現(xiàn)又十分短暫的電磁信號(hào)，就必須實(shí)現(xiàn)引力波數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速處理，甚至是‘零延遲’。”都志輝說。

　　不過，目前LIGO的數(shù)據(jù)分析還不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，工作組要輪流值班，人工檢查數(shù)據(jù)產(chǎn)生的觸發(fā)。“我們正在嘗試引入人工智能，如果成功，將來就不需要人來檢查，并可以自動(dòng)匹配波形，用更短的時(shí)間處理更多的信號(hào)，并更快地給出結(jié)果。”曹軍威說。

　　清華工作組在LIGO科學(xué)合作組織中的積累和創(chuàng)新，將為中國未來的引力波探測項(xiàng)目提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。曹軍威認(rèn)為，在基礎(chǔ)比較薄弱的科研領(lǐng)域，中國應(yīng)該積極參與國際合作，培養(yǎng)人才，積蓄力量。