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2024 soll in Chile das European Extremely Large Telescop stehen. Dabei handelt es sich um ein Teleskop, das unter anderen auch im sichtbaren Wellenlängebereich astronomische Aufnahmen machen soll.
Eine der größten Herausforderung bei der Konzeption eines solchen Teleskops ist der Ausgleich der atmosphärischen Störungen. Dafür verantwortlich sind Temperaturunterschiede zwischen der Oberfläche und der Luft im Tag/Nachtwechsel. Bereits seit Jahren werden bei solchen Teleskopen daher adaptive Optiken verwendet. Damit die adaptive Optik aber in der Lage ist, entsprechende Anpassungen vorzunehmen, müssen diese erkannt werden. Dazu wird ein Laserstrahl mit einer Leistung von 20 W in den nächtlichen Himmel ausgesendet und dessen Ablenkungen detektiert. Dieser Laserstrahl reicht bis in eine Höhe von 90 km.
Die Detektion der atmosphärischen Störungen sowie die Anpassung der Optik müssen im besten Fall in Echtzeit geschehen. Je größer die Teleskope werden, desto besser soll die Auflösung werden und dies macht die Anpassungen auch schwieriger, da auch diese genauer werden müssen.
Für das European Extremely Large Telescope oder kurz E-ELT wird eine Multi Object Adaptive Optics (MOAO) entwickelt. Der Spiegel in diesem Teleskop besteht wie bei vielen kleineren auch nicht mehr aus einer Komponente, sondern aus 20 Einzelspiegeln, die jeweils über 5.000 Aktuatoren für die adaptive Optik verfügen. Insgesamt müssen also 100.000 Aktuatoren angesteuert werden. Zur Erkennung der Turbulenzen sollen und müssen bei einem solch großen Teleskop mehrere sogenannte Guide Stars (die erwähnten Laser zur Detektion der Turbulenzen) verwendet werden. Der Rechenaufwand für die Echtzeit-Korrektur steigt damit exponentiell an.
Auch wenn das E-ELT erst 2024 fertiggestellt werden soll, müssen bereits heute Simulationen für den Realtime-Controller auf bestehender Hardware durchgeführt werden. Zunächst einmal wird in einem Lernprozess eine grobe Richtung für die adaptive Optik vorgegeben, denn die Turbulenzen verhalten sich nach einem groben Muster fast immer gleich – nur in Details muss dann eine genauere Anpassung vorgenommen werden. Dieses Anlernen wird auf einem NVIDIA DGX-1 mit acht Tesla P100 durchgeführt und dauert rund vier Minuten.
Für das E-ELT wird voraussichtlich eine Matrix mit 100.000 x 100.000 Punkten auf dem Sensor verwendet, der die atmosphärischen Störungen erkennt. Diese Datenpunkte müssen in Echtzeit überwacht und die entsprechenden Befehle an die adaptive Optik weitergegeben werden. Um eine solch große Matrix überhaupt sinnvoll verarbeiten zu können, verwendet das Team in gewisser Weise ein Tiled Base Rendering oder wie NVIDIA es nennt ein Tiled Caching für die Berechnungen der Kompensation, denn anstatt einer Matrix aus 100.000 x 100.000 Punkten wird diese in mehrere Kacheln aufgeteilt. Damit wird eine Parallelisieren des Problems vereinfacht und die Berechnungen auf moderner Hardware beschleunigt. Die Anzahl der Kacheln ist abhängig von der verwendeten Hardware und der zur Verfügung stehenden Kerne und/oder Shadereinheiten.
Tests mit verfügbarer Hardware von Intel und NVIDIA haben gezeigt, dass die Zeit für die Berechnung noch immer zu lang ist. Mit einem DGX-1 liegt man bei etwa 25 s. In diesem Zeitrahmen müssen größere Neuberechnungen der atmosphärischen Störungen im kompletten Blickfeld des Teleskops vorgenommen werden. Der Echtzeit-Controller übernimmt dann nur noch die kleinere Änderungen.