SKA大數(shù)據(jù)的科學(xué)應(yīng)用和挑戰(zhàn)

安 濤 武向平 洪曉瑜 葉叔華 毛羽豐 郭紹光 勞保強(qiáng)

1 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 上海 200030 2 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 北京 100101 3 中國(guó)科學(xué)院 前沿科學(xué)與教育局 北京 100864

天文學(xué)是一門(mén)最古老的學(xué)科，伴隨著人類(lèi)文明產(chǎn)生，而中國(guó)則是世界上天文學(xué)起步最早的國(guó)家之一?，F(xiàn)代觀測(cè)天文學(xué)從伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡算起，至今已經(jīng)有 400 多年的歷史，天文學(xué)的每一次重大進(jìn)展都離不開(kāi)天文望遠(yuǎn)鏡能力的飛躍式進(jìn)步。

中國(guó)正處在新時(shí)代科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略機(jī)遇期，國(guó)家對(duì)科研的投入達(dá)到前所未有的高度。仰望星空離不開(kāi)精密望遠(yuǎn)鏡，近幾年一批大型天文望遠(yuǎn)鏡在我國(guó)相繼建成，如興隆大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）、貴州 500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）、暗物質(zhì)探測(cè)空間望遠(yuǎn)鏡“悟空”、硬 X 射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡“慧眼”，這些設(shè)備接近或達(dá)到國(guó)際一流水平。中國(guó)參加了世界上最大的天文大科學(xué)工程——平方公里陣列（Square Kilometre Array，SKA）射電望遠(yuǎn)鏡的國(guó)際合作，其建成后將成為射電望遠(yuǎn)鏡中的旗艦，樹(shù)立自然科學(xué)探索歷程中新的里程碑?，F(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡設(shè)備也都在升級(jí)更新，形成了從地基設(shè)備到空間衛(wèi)星（以及空間站）的觀測(cè)條件和從 X 射線、紫外線、光學(xué)、紅外到射電的全波段觀測(cè)能力，把天文學(xué)的研究推上了指數(shù)增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)時(shí)代。目前的天文數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到了 PB 量級(jí)，隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和觀測(cè)設(shè)備的更新，很快將會(huì)進(jìn)入到 EB 量級(jí)時(shí)代，天文大數(shù)據(jù)將深刻改變?nèi)祟?lèi)探索和認(rèn)識(shí)自然的方式。

1 天文學(xué)研究已經(jīng)步入大數(shù)據(jù)時(shí)代

從 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，天文學(xué)不斷產(chǎn)生令人贊嘆的成果，天文學(xué)正書(shū)寫(xiě)著人類(lèi)自然科學(xué)發(fā)展的輝煌篇章。最精彩、最具突破性的天文發(fā)現(xiàn)越來(lái)越依賴于大型科研裝置的協(xié)同運(yùn)行，越來(lái)越依賴于海量數(shù)據(jù)的分析和挖掘；同時(shí)，科學(xué)成果的透明度、多樣性、多學(xué)科之間的融會(huì)貫通使得人類(lèi)的科技生活越來(lái)越豐富多彩。天文學(xué)真正進(jìn)入了多波段、多信使時(shí)代，人們不僅能夠使用多個(gè)觀測(cè)設(shè)備同時(shí)探測(cè)同一天體，獲得幾乎整個(gè)電磁波譜的完整信息，而且還能夠使用電磁輻射之外的其他信源，比如中微子和引力波來(lái)研究宇宙天體。一個(gè)最具代表性的例子是 2017 年 8 月天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)兩顆中子星的并合事例。地基激光引力波天文臺(tái)（LIGO）和 VIRGO 引力波探測(cè)器首先發(fā)現(xiàn)了中子星并合過(guò)程產(chǎn)生的時(shí)空漣漪，隨后最強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡協(xié)同觀測(cè)并合后的后隨輻射，使得人們不僅增進(jìn)了對(duì)引力波的認(rèn)識(shí)，而且從觀測(cè)上證實(shí)了短伽馬暴、巨超新星等奇異天體，這讓我們對(duì)天文學(xué)協(xié)同研究的強(qiáng)大威力有了新的理解。

以觀測(cè)為基礎(chǔ)的天文學(xué)曾長(zhǎng)期受到數(shù)據(jù)匱乏的困擾，進(jìn)入 21 世紀(jì)信息時(shí)代，天文學(xué)已經(jīng)發(fā)生了重大的革命性變化。天文觀測(cè)已經(jīng)逐步進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，當(dāng)前科學(xué)研究方式和傳播方式也發(fā)生著深刻演變。舉個(gè)例子：超新星是宇宙中絢爛的煙花，我國(guó)有世界公認(rèn)的關(guān)于超新星的最早天文記錄。超新星在天體物理研究中有重要的地位，2011 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予 3 位天文學(xué)家，他們的貢獻(xiàn)是通過(guò)對(duì)超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹。超新星是非常稀有的事件，在 10 年前捕獲一顆超新星是相當(dāng)困難的，因此每次觀測(cè)到一個(gè)超新星也必然引起全球望遠(yuǎn)鏡的追逐競(jìng)賽，大量研究不得不依賴于數(shù)值模擬和理論計(jì)算。而如今，光學(xué)巡天每年都能發(fā)現(xiàn) 1 000 多顆，超新星變得不再稀奇，深度有效地挖掘這些大型巡天積累的數(shù)據(jù)則有可能會(huì)產(chǎn)生更多新發(fā)現(xiàn)。隨著 SKA 等下一代超級(jí)望遠(yuǎn)鏡帶來(lái)的天文觀測(cè)能力的極大提升，在當(dāng)前仍屬于鳳毛麟角的奇異天體在 5—10 年后都將成為?？?。統(tǒng)計(jì)學(xué)、信息科學(xué)與天文學(xué)密切結(jié)合，為天文學(xué)家提供數(shù)據(jù)分析工具，基于對(duì)宇宙大數(shù)據(jù)的收集、整理、分析探索宏觀宇宙的真理和天體的運(yùn)行規(guī)律。

2 大數(shù)據(jù)典型應(yīng)用—平方公里陣列（SKA）射電望遠(yuǎn)鏡

天文學(xué)關(guān)注有關(guān)宇宙、天體和生命起源的最具有前瞻性的問(wèn)題，這些問(wèn)題的突破和解決將極大地推動(dòng)自然科學(xué)基礎(chǔ)理論，促進(jìn)人類(lèi)科技水平的整體進(jìn)步。

由宏偉科學(xué)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的 SKA 射電望遠(yuǎn)鏡是我國(guó)參加的最大的天文領(lǐng)域國(guó)際合作大科學(xué)工程。SKA 建成后將成為世界上最大的天文實(shí)驗(yàn)裝置，為人類(lèi)探索宇宙起源奧秘創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。SKA 由包括中國(guó)在內(nèi)的 11 個(gè)正式成員國(guó)以及 10 多個(gè)觀察員國(guó)參與，建設(shè)和運(yùn)行天文大望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的真實(shí)體現(xiàn)和重要標(biāo)志。SKA 總部位于英國(guó)，SKA 低頻陣列（SKA-low）包括 130 萬(wàn)個(gè)對(duì)數(shù)周期天線，擬建于澳大利亞西部沙漠；SKA 中頻陣列（SKA-mid）包括 2 500 個(gè)碟形天線，擬建于南非以及南部非洲的無(wú)線電寧?kù)o區(qū)域，這兩處是經(jīng)過(guò)天文學(xué)家十幾年評(píng)估和測(cè)評(píng)后優(yōu)選出來(lái)的最佳臺(tái)址。望遠(yuǎn)鏡的總接收面積高達(dá) 1 平方公里，頻率幾乎連續(xù)覆蓋 50 MHz—20 GHz 的范圍，比目前厘米波段最大的射電望遠(yuǎn)鏡陣的靈敏度提高約 50 倍、巡天速度提高約 10 000 倍[2]。

作為下一代擔(dān)當(dāng)引領(lǐng)作用的射電天文觀測(cè)設(shè)施，SKA 將對(duì)射電天文學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。SKA 的強(qiáng)大觀測(cè)能力體現(xiàn)在其超高靈敏度（mK）、超大視場(chǎng)（數(shù)十度）、超快巡天速度、超高頻率分辨率（kHz）、超高時(shí)間分辨率（納秒）、超高空間分辨率（亞角秒），這些技術(shù)特點(diǎn)使得SKA產(chǎn)生前所未有的超大數(shù)據(jù)量[2]。

SKA 的建設(shè)主要分為兩個(gè)階段：第一階段（SKA1）將按照全規(guī)模的 10% 來(lái)建造，預(yù)計(jì) 2020 年開(kāi)建；第二階段（SKA2）將完成其余 90% 建設(shè)工程，不過(guò)目前尚未確定具體計(jì)劃。SKA1-low 每個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率為 2 Tbps，總的數(shù)據(jù)流是 1 Pb/s。據(jù)此規(guī)模遞推，SKA2 至少產(chǎn)生 10 倍以上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。從上述數(shù)據(jù)可知，SKA 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是空前巨大的，即使經(jīng)過(guò)相關(guān)處理后數(shù)據(jù)量極大降低了，但輸入到科學(xué)數(shù)據(jù)處理器（SDP）①即建于兩個(gè)臺(tái)址國(guó)專(zhuān)門(mén)對(duì)這些原始科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的超級(jí)計(jì)算機(jī)。的數(shù)據(jù)也達(dá)到了 4 GB/s，是當(dāng)之無(wú)愧的科學(xué)大數(shù)據(jù)。SKA 超大規(guī)模的數(shù)據(jù)流需要及時(shí)地以實(shí)時(shí)模式處理掉，否則會(huì)造成整個(gè)數(shù)據(jù)處理管線（pipeline）的堵塞甚至崩潰。采用實(shí)時(shí)模式、多并發(fā)任務(wù)、數(shù)據(jù)流管線系統(tǒng)的處理方式是 SKA 數(shù)據(jù)處理的幾個(gè)典型特點(diǎn)，也是新型科學(xué)大數(shù)據(jù)處理的典型應(yīng)用[3]。

作為史上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，SKA 不僅承載孕育世界級(jí)科研成果的使命，而且將產(chǎn)生世界上最大規(guī)模的數(shù)據(jù)，因此我們需要充分認(rèn)識(shí)到 SKA 數(shù)據(jù)處理的巨大挑戰(zhàn)。由于 SKA 工程極其龐大及復(fù)雜，為了攻克關(guān)鍵技術(shù)、降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，包括中國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家先后建設(shè)了一些探路者和先導(dǎo)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目相當(dāng)于 SKA 總體規(guī)模的 1% 左右，并基于這些先導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展了相關(guān)的科學(xué)預(yù)研究和技術(shù)攻關(guān)。這些先導(dǎo)設(shè)備在理解 SKA 科學(xué)目標(biāo)、建立和逐步完善天空模型、開(kāi)發(fā)和測(cè)試數(shù)據(jù)處理軟件、培養(yǎng)急需的人才隊(duì)伍等方面發(fā)揮了積極作用，在 SKA 發(fā)展歷程中處于不可忽視的地位。需要指出的是，盡管如此，這些先導(dǎo)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到 SKA1 規(guī)模，因此與建立真實(shí)的驗(yàn)證參考還有一定的距離②武向平，等。中國(guó)SKA科學(xué)白皮書(shū)（2017年）。。

3 SKA 科學(xué)計(jì)算的挑戰(zhàn)

與傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡相比，SKA 更像是一個(gè)“軟件”望遠(yuǎn)鏡，它不僅集成了當(dāng)代信息計(jì)算技術(shù)的最新成就，而且提出了新的問(wèn)題。以 SKA-low 為例，其旨在探測(cè)微弱宇宙信號(hào)，這些低頻陣列以 10 Pb/s 速度產(chǎn)生出世界上最大規(guī)模的數(shù)據(jù)流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了全世界互聯(lián)網(wǎng)的流量。按照 SKA 的數(shù)據(jù)流規(guī)模，估計(jì)在建設(shè)的第一階段每年需要輸送到區(qū)域數(shù)據(jù)中心進(jìn)行深度分析的科學(xué)數(shù)據(jù)就達(dá)到了每年 300 PB，隨著望遠(yuǎn)鏡的全面運(yùn)行，這個(gè)數(shù)據(jù)量必然會(huì)逐步增加。到了 SKA2 階段，從 SKA 天文臺(tái)產(chǎn)生的預(yù)處理數(shù)據(jù)的規(guī)模將擴(kuò)展到 SKA 先導(dǎo)項(xiàng)目的 100 倍以上，達(dá)到 EB 量級(jí)。SKA 兩個(gè)最重要的科學(xué)方向——宇宙再電離和黑暗時(shí)期探測(cè)、用脈沖星計(jì)時(shí)陣精確測(cè)量引力，需要積累未校準(zhǔn)的原始數(shù)據(jù)；如果考慮到保存一定時(shí)間的原始數(shù)據(jù)，那么 SKA 天文臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求將提高至少一個(gè)量級(jí)。

以 SKA 先導(dǎo)項(xiàng)目 MWA 為例，經(jīng)過(guò) 4 年的運(yùn)行，MWA 積累了 24 PB 的科學(xué)存檔數(shù)據(jù)。其中一個(gè)科學(xué)目標(biāo)是 GLEAM 巡天任務(wù)，第一期巡天已經(jīng)包含了 30 多萬(wàn)顆星系，存檔數(shù)據(jù)量達(dá)到 1 PB 以上。第二期巡天已經(jīng)開(kāi)始，靈敏度提高了 4 倍以上，數(shù)據(jù)量預(yù)期高達(dá) 6.5 PB。而 MWA 只占到 SKA-low 規(guī)模的 1%，SKA 數(shù)據(jù)量由此可見(jiàn)一斑。據(jù)初步估計(jì)，SKA1 階段的科學(xué)數(shù)據(jù)處理器所需要的計(jì)算能力為 260 PFlops（即每秒 260 千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算），相當(dāng)于我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”的 8 倍，“神威 · 太湖之光”的 3 倍。SKA 巨大的計(jì)算需求必然對(duì)現(xiàn)有科學(xué)計(jì)算的架構(gòu)和方式形成巨大沖擊，對(duì) SKA 數(shù)據(jù)處理問(wèn)題的解決有助于帶動(dòng)和提升相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，甚至引發(fā)革命性變化。

SKA將對(duì)除天文學(xué)以外的其他眾多學(xué)科諸如計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域帶來(lái)極大的促進(jìn)作用③武向平，等。中國(guó)參加SKA（第一階段）綜合論證報(bào)告（初稿），2018年。。TB 量級(jí)的高速數(shù)字化采樣、高速實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理對(duì)電子行業(yè)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。長(zhǎng)期工作在野外惡劣環(huán)境下射頻信號(hào)長(zhǎng)距離光纖傳輸?shù)念l率同步是孔徑陣列急需解決的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。大數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離的高速寬帶洲際傳輸對(duì)目前的科研網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、傳輸端軟件等提出了嚴(yán)苛的要求——滿足超高速流式數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不是簡(jiǎn)單通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)網(wǎng)口數(shù)量和增加節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)總帶寬能實(shí)現(xiàn)的，對(duì)這個(gè)問(wèn)題的有效解決也必將促進(jìn)國(guó)內(nèi)百 GB 甚至 TB 級(jí)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的布局和建設(shè)。

以數(shù)據(jù)密集型科學(xué)計(jì)算為特點(diǎn)的 SKA 數(shù)據(jù)處理對(duì)我國(guó)的電子、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理行業(yè)提出了更高的要求。

SKA 科學(xué)數(shù)據(jù)處理應(yīng)用面臨著“存儲(chǔ)墻”問(wèn)題，即 I/O 問(wèn)題，傳輸帶寬是主要的系統(tǒng)瓶頸之一。即使“天河二號(hào)”這樣的超算對(duì)于 SKA 這類(lèi)大數(shù)據(jù)的處理資源也會(huì)有不足，同時(shí)不便進(jìn)行突發(fā)事件的觀測(cè)分析，因此亟待研究適應(yīng)數(shù)據(jù)密集型科學(xué)計(jì)算的新型架構(gòu)體系[4]。前面講到，SKA 高速海量的輸入數(shù)據(jù)必須通過(guò)實(shí)時(shí)處理降低后續(xù)流程的壓力，海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理對(duì)軟硬件體系都有特殊設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和集成安裝、超算中心的執(zhí)行框架和配套軟件算法、數(shù)據(jù)中心的健康監(jiān)控、機(jī)柜冷卻、總控管理等都會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)；而且在建設(shè)經(jīng)費(fèi)封頂?shù)那闆r下，既要達(dá)到預(yù)定的運(yùn)算能力和實(shí)時(shí)性要求，還要從運(yùn)行成本上考慮滿足低功耗的要求。此外海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、歸檔、檢索、運(yùn)算對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的完整生態(tài)鏈提出了極高的要求。盡管?chē)?guó)產(chǎn) CPU 芯片已經(jīng)部署在國(guó)內(nèi)大型超算中心，國(guó)內(nèi)科研單位也研發(fā)了用于人工智能領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)處理器芯片；但不容樂(lè)觀的是，目前主流的操作系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)等軟件生態(tài)基本全部來(lái)自于國(guó)外，最關(guān)鍵的軟件生態(tài)環(huán)境依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后國(guó)際水平，尚不具備競(jìng)爭(zhēng)力，“卡脖子”問(wèn)題依然嚴(yán)重，自給自足的能力還不夠。SKA 項(xiàng)目為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了強(qiáng)烈的需求驅(qū)動(dòng)。

除了硬件方面的問(wèn)題，天文應(yīng)用軟件的目前研發(fā)水平也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到SKA的要求。SKA科學(xué)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵算法存在大量對(duì)共享資源包括共享文件系統(tǒng)的操作，傳統(tǒng)固定多核的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在多任務(wù)、多并發(fā)、多線程并行執(zhí)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)資源競(jìng)爭(zhēng)；如果數(shù)據(jù)流執(zhí)行框架不能有效地妥善解決資源調(diào)度和分配，嚴(yán)重的情況下將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理流水線停頓[3,4]。實(shí)際上，這一問(wèn)題在 SKA 先導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)處理中心并不罕見(jiàn)。為此，澳大利亞 ICRAR 研究所和中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)針對(duì) SKA 項(xiàng)目聯(lián)合研發(fā)了名為 Data Activated 流 （Liu）Graph Engine （DALiuGE）的數(shù)據(jù)流執(zhí)行框架[3]，其采用了“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，比傳統(tǒng)的 HPC“計(jì)算驅(qū)動(dòng)”的設(shè)計(jì)更適合 SKA 科學(xué)計(jì)算。此外，SKA 科學(xué)計(jì)算的實(shí)際運(yùn)算效率小于原計(jì)劃的 10%，因此其原定理論峰值性能 260 PFlops 無(wú)法完成科學(xué)數(shù)據(jù)處理的實(shí)際需求。增加超算資源的簡(jiǎn)單做法并不切實(shí)可行，更加可行的途徑是提高軟件執(zhí)行效率——效率從 10% 提高到 20%，可以節(jié)約 50% 的計(jì)算資源以及大幅度降低運(yùn)行成本。天文學(xué)家與計(jì)算機(jī)專(zhuān)家合作優(yōu)化代碼，可以數(shù)倍地提高算法和程序的運(yùn)行速度。當(dāng)務(wù)之急是培養(yǎng)既懂天文又懂計(jì)算的復(fù)合型人才。另一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，天文數(shù)據(jù)處理的軟件也亟待更新?lián)Q代以滿足未來(lái)的需求。目前主要使用的天文軟件大部分在 20 世紀(jì) 70—80 年代研發(fā)，考慮到天文應(yīng)用對(duì)高速、實(shí)時(shí)、并行的大數(shù)據(jù)處理需求，天文學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始使用更先進(jìn)、更模塊化、支持并行的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，如 C++ 或者 Python。使用 C++ 開(kāi)發(fā)的 AIPS 軟件的替代版本 CASA 軟件將成為下一代主流射電天文軟件；涉及機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能的程序?qū)⒁?Python 為優(yōu)先選型。天文數(shù)據(jù)處理軟件的研發(fā)與天文研究一樣，已經(jīng)從單打獨(dú)斗模式升級(jí)為全球化合作集體作戰(zhàn)，比如發(fā)現(xiàn)引力波的 LIGO 團(tuán)隊(duì)由 1 000 多位科學(xué)家組成，廣泛應(yīng)用于射電天文處理軟件的 CASA 核心庫(kù)也有來(lái)自全球近百位人員貢獻(xiàn)代碼及算法；航空母艦式的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，大兵團(tuán)作戰(zhàn)模式將成為解決重大科學(xué)問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)資質(zhì)。

科學(xué)傳播比任何時(shí)候都得到重視，“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼”[5]。未來(lái) SKA 的天文大數(shù)據(jù)將不僅僅服務(wù)于天文學(xué)家，也將提供面向公眾的接口。以 SKA 為依托，宣傳科研成果、交流學(xué)術(shù)思想、普及科技知識(shí)、弘揚(yáng)科學(xué)精神，大力推廣基礎(chǔ)科學(xué)在公眾間的認(rèn)知度，提高科研在公眾的普及度。SKA 區(qū)域中心將通過(guò)虛擬天文臺(tái)和“云”的方式讓老百姓以更加便捷的方式接觸科學(xué)，在公眾中普及天文學(xué)。

4 中國(guó) SKA 科學(xué)和區(qū)域中心的思考和對(duì)策

我國(guó)正面臨著推進(jìn)科技創(chuàng)新的重要?dú)v史機(jī)遇?？萍紕?chuàng)新已經(jīng)被提升到實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)的戰(zhàn)略高度。SKA 是我國(guó)參加的最大的天文領(lǐng)域國(guó)際合作項(xiàng)目，為我國(guó)射電天文學(xué)實(shí)現(xiàn)從“跟跑”到“并跑、領(lǐng)跑”創(chuàng)造了難得的機(jī)遇。SKA 將主導(dǎo)和影響未來(lái) 50 年射電天文學(xué)的發(fā)展命運(yùn)，使低頻射電天文學(xué)再次進(jìn)入蓬勃發(fā)展的新時(shí)代，將孕育諸多重大科學(xué)突破，創(chuàng)造觀測(cè)宇宙學(xué)研究的又一個(gè)輝煌④葉叔華，武向平。我國(guó)低頻射電天文學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略咨詢研究報(bào)告。中國(guó)科學(xué)院學(xué)部咨詢報(bào)告，2018年。。

SKA 數(shù)據(jù)的深度分析和加工是在分布于幾大洲的區(qū)域數(shù)據(jù)中心完成。包括中國(guó)在內(nèi)的幾個(gè)主要成員國(guó)對(duì)于建設(shè) SKA 區(qū)域數(shù)據(jù)中心均予以積極態(tài)度并寄予很高的期待，已經(jīng)開(kāi)始了關(guān)鍵技術(shù)研究工作。由于 SKA 數(shù)據(jù)處理的特殊性、復(fù)雜性、巨大數(shù)據(jù)量，大規(guī)模的數(shù)據(jù)搬運(yùn)是不現(xiàn)實(shí)的，因此中心化的數(shù)據(jù)處理方式成為必然選擇。建設(shè)中國(guó) SKA 區(qū)域中心不僅是國(guó)際 SKA 總體規(guī)劃不可或缺的一個(gè)部分，也是支撐中國(guó)科學(xué)家有效利用 SKA 數(shù)據(jù)獲得相應(yīng)科學(xué)回報(bào)的重要保障。SKA 科學(xué)家在全球廣泛分布，分布式計(jì)算和存儲(chǔ)、云化成為數(shù)據(jù)存檔和發(fā)布的考慮，多個(gè)科學(xué)和數(shù)據(jù)分中心組成的區(qū)域中心網(wǎng)格可以滿足 SKA 的多樣化需求。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)與澳大利亞的 SKA 數(shù)據(jù)中心之間已經(jīng)建立了端對(duì)端的直連，最高數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到 3.2 Gbps，是目前已知最高的天文數(shù)據(jù)流速率，這為 SKA 區(qū)域中心提供了有益經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際模版。SKA 多科學(xué)目標(biāo)多種數(shù)據(jù)屬性的特征使得多數(shù)據(jù)流并行成為必然趨勢(shì)，也是未來(lái) SKA 區(qū)域中心國(guó)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面需要關(guān)注的問(wèn)題。

為了與國(guó)際同步乃至趕超，依托 SKA 這樣的大科學(xué)工程要頂層設(shè)計(jì)，定向規(guī)劃人才培養(yǎng)，不僅要堅(jiān)持獨(dú)立自主，還要多與國(guó)際頂級(jí)研究單位、一流團(tuán)隊(duì)進(jìn)行合作開(kāi)展前沿研究，提升自身能力。中國(guó)目前嚴(yán)重缺乏數(shù)據(jù)處理人才，要充分認(rèn)識(shí)到人才培養(yǎng)的長(zhǎng)期性。中國(guó) SKA 科學(xué)團(tuán)隊(duì)要抓住 SKA1 第一批數(shù)據(jù)發(fā)布（2022 年）之前這段寶貴的時(shí)間窗口，圍繞相關(guān)的科學(xué)研究，利用 SKA 先導(dǎo)望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)出科學(xué)成果、掌握數(shù)據(jù)處理技術(shù)，爭(zhēng)取在 SKA1 運(yùn)行后能夠盡快投入相關(guān)科學(xué)研究。除了天文研究和數(shù)據(jù)處理人才，在大型國(guó)際合作科技項(xiàng)目中，管理型科技專(zhuān)家要走上國(guó)際舞臺(tái)，不斷鞏固和加強(qiáng)學(xué)術(shù)地位。科學(xué)家要勇于承擔(dān)使命，爭(zhēng)取在國(guó)際組織中擔(dān)任重要職務(wù)，在國(guó)際大科學(xué)工程中掌握話語(yǔ)權(quán)，維護(hù)國(guó)家利益，配合民族復(fù)興的國(guó)家戰(zhàn)略。

應(yīng)對(duì) SKA 大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，應(yīng)一方面立足國(guó)際合作，另一方面加快關(guān)鍵核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化?？梢钥紤]以中國(guó) SKA 區(qū)域科學(xué)和數(shù)據(jù)中心為依托，爭(zhēng)取突破 TB 量級(jí)高速科研骨干網(wǎng)、信號(hào)與數(shù)據(jù)傳輸以及 EB 量級(jí)高性能計(jì)算機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)出配套的天文軟件來(lái)支持相應(yīng)天文課題的數(shù)據(jù)處理，從而在 SKA 時(shí)代到來(lái)之際能夠使用 SKA 科學(xué)數(shù)據(jù)快速取得重大科學(xué)成果，引領(lǐng)先進(jìn)科學(xué)方向。

總之，人類(lèi)共享一個(gè)天空，通過(guò)參與 SKA 全球創(chuàng)新合作，共同促進(jìn)天文學(xué)的跨越式發(fā)展，為解決人類(lèi)共同關(guān)注的科學(xué)目標(biāo)做出貢獻(xiàn)，是“構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體”理念的重要實(shí)踐。