Contrôle temps-réel pour l’instrumentation sol et le calcul haute performance

Contexte

L’Optique Adaptative (OA) est une technique instrumentale pour la correction d’aberrations dues à la turbulence atmosphérique et évoluant dynamiquement dans le temps. Elle se retrouve au cœur des opérations des télescopes de diamètre extrême (ELT) qui nécessitent le contrôle, à une cadence de l’ordre de la milliseconde, de miroirs déformables (DM) avec des milliers de degrés de liberté. Pour assurer une compensation de la turbulence suffisante, avec une grande stabilité, le temps de calcul du contrôleur temps-réel (RTC) doit être déterministe à l’échelle de quelques dizaines de microsecondes, et la latence dans les transferts de données entre les capteurs, les noyaux de calcul et l’optique déformable doit être minimisée.

Pour concevoir cet élément essentiel de l’opération des télescopes géants, la communauté astronomique est confrontée à des défis techniques, émergeant de la combinaison d’une bande passante élevée pour le transfert de données, d’une faible latence et des exigences de haut débit.

Répondre aux spécifications de ces systèmes temps réel multi-capteurs traitant des données de manière intensive, revient à aborder deux thèmes stratégiques du calcul haute performance (HPC) :

• optimiser l’équilibre entre les performances des processeurs, la capacité de mémoire et l’accès aux données entre les capteurs, les nœuds de calcul et de stockage, avec des performances déterministes ;
• construire des systèmes modulaires, évolutifs et hétérogènes.

Le RTC d’un système d’OA l’échelle de l’European ELT (E-EL) peut ainsi être considéré comme une facilité HPC interagissant en temps réel avec des capteurs et des éléments actifs pour s’adapter à l’évolution des conditions d’observation dans le but de fournir des données scientifiques à l’utilisateur.

Savoir-faire du LESIA

Le LESIA dispose d’une longue histoire dans l’OA. Par le passé, il a participé aux projets pionniers comme :

• COME-ON
• NAOS

Plus récemment, le LESIA a été impliqué dans le développement ainsi que dans la validation des RTC dans les projets suivants, et continue à en assurer la maintenance :

• SPHERE, spécification et validation de SPARTA pour SAXO ;
• GRAVITY, spécification, développement et validation du suiveur de franges ;
• OEIL, validation et optimisation du calculateur temps-réel d’ALPAO (ACE).

Actuellement, les projets prioritaires de l’équipe sont :

• R&D GreenFlash (financement européen H2020), avec au LESIA l’accent mis sur les calculateurs à base de GPUs
• MICADO/MAORY-SCAO : Spécification/développement/intégration du RTC

Technologies associées

Ces calculateurs sont généralement hétérogènes afin d’obtenir le maximum de performance de chaque composant. Suivant les besoins, ils peuvent utiliser les technologies suivantes :

• CPU
• GPU
• FPGA
• DSP

Les développements au sein de l’équipe se font essentiellement en langage objet (C++/CUDA) pour la performance tout en s’appuyant sur des langages interprétés (Python) pour la souplesse d’utilisation et de validation.

Responsable de l’équipe : Arnaud Sevin