Progettazione e sviluppo di algoritmi in ambiente di calcolo ad alte prestazioni per la risoluzione di problemi computazionali in astronomia: Ottica Adattiva e ricostruzioni di immagini.

Si intende attaccare il problema della interferometria ottica e nel vicino infrarosso per astronomia su una base multi-disciplinare. Riduzione dati dall'interferometro di VLT, realizzazione di sistemi di ottica adattiva per ottenere alta risoluzione angolare e sistemi di cofasamento per LBT, strumentazione di piano focale specifiche per interferometria nel vicino infrarosso e sviluppo di nuove tecniche di riduzione dati per interferometria in modalita' Fizeau sono i campi in cui questa proposta intende muoversi. L'idea di fondo e' quella di utilizzare sinergicamente le competenze acquisite da diverse realta' di ricerca nel nostro Paese. Enfasi viene anche data alla formazione ed alla visibilita' internazionale, con l'ambizioso obiettivo di portare l'interferometria astronomica in Italia ai livelli, riconosciuti internazionalmente, dei singoli gruppi di ricerca. Il calcolo ad alte prestazioni è il paradigma di riferimento nella risoluzione della maggior parte di problemi applicativi. L'utilizzo delle risorse computazionali proprie del calcolo ad alte prestazioni (parallelo e distribuito) è infatti una esigenza di tutte le simulazioni caratterizzate dalla gestione di grosse quantità di dati e/o che devono fornire una risposta in un tempo utile. La disponibilità di software di libreria, oramai ampia, tuttavia non è garanzia di una risoluzione efficiente del problema perchè non è sempre possibile utilizzare le risorse di calcolo senza adeguate competenze. Questa difficoltà è ancora più sentita se si pensa alla risoluzione di problemi che coinvolgono discipline applicative. In questo contesto si colloca l'attività dell'Unità di Ricerca di Napoli, rivolta allo sviluppo e all'utilizzo di strumenti software per il calcolo ad alte prestazioni come supporto alla simulazione computazionale di applicazioni astronomiche. In particolare, il campo di interesse sarà la simulazione delle applicazioni dell'Ottica Adattiva e dell'interferometria. Poichè l'ambiente software utilizzato in applicazioni di astronomia è IDL, l’attenzione verrà rivolta allo sviluppo di software parallelo in IDL. In particolare si analizzerà la possibilità di implementare i pacchetti software CAOS e AIRY, utilizzati rispettivamente per le simulazioni in Ottica Adattiva e nella Ricostruzione di Immagini, in un ambiente di calcolo avanzato. L'obiettivo è quello di rendere l'utilizzo degli strumenti software, sia quelli attualmente utilizzati per le simulazioni, sia quelli propri del calcolo ad alte prestazioni, in modo trasparente all'utente. L'analisi delle strategie più opportune per l'introduzione del parallelismo si articola in varie fasi, che vanno dall'analisi del codice pre esistente, per individuare la possibilità di far emergere un parallelismo al livello delle operazioni elementari, all'individuazione dei nuclei computazionali più onerosi, al fine di estrinsecare la presenza di macro - operazioni che possono essere eseguite da funzioni di libreria ottimizzate, e infine allo studio di opportuni problemi test al fine di individuare la presenza di problemi che possono essere eseguiti in maniera concorrente. Ad esempio, il pacchetto CAOS, utilizzato per simulare le aberrazioni dovute alla turbolenza atmosferica e quindi la corrispondente correzione da impartire sul fronte d'onda proveniente dall'oggetto astronomico, si presenta con una struttura modulare, che grazie ad un "application builder" può essere assemblata in maniera da simulare una notevole varietà di configurazioni. Uno dei moduli del pacchetto software è quello preposto al calcolo di FFT bidimensionale su sequenze di elevate dimensioni. Analogamente, nel pacchetto AIRY è richiesta la deconvoluzione di immagini interferometriche. Ciò significa, tra l'altro, il calcolo di svariate FFT su immagini di grandi dimensioni. Il paradigma computazionale concorrente che si prevede di introdurre in ambiente IDL è quello Single Program Multiple Data, in cui istanze multiple in esecuzione dello stesso programma eseguono operazioni su dati differenti, sincronizzandosi all'atto dello scambio dei messaggi. Ciò richiede quindi la necessità di far emergere all'interno delle macro IDL, le primitive di comunicazione proprie del message-passing, in maniera analoga rispetto a quello che accade nella progettazione di algoritmi paralleli sviluppati in un linguaggio ad alto livello. Come piattaforma hardware di riferimento si utilizzeranno alcuni cluster di Personal Computers di tipo Beowulf. La scelta è motivata dal fatto che queste piattaforme, oltre ad essere scalabili, hanno un rapporto costo/prestazione particolarmente favorevole in contesti applicativi come quelli delle simulazioni astronomiche.