Développer un système de contrôle en temps réel pour le plus grand télescope du monde en utilisant NI LabVIEW et ses fonctionnalités multicœurs

Jason Spyromilio, European Southern Observatory

"Les ingénieurs de NI ont prouvé qu'il est possible d'utiliser LabVIEW et le Module NI LabVIEW Real-Time pour mettre en œuvre une solution « sur étagère » et pour contrôler des calculs tirant parti du multicœur afin d'obtenir des résultats en temps réel."

- Jason Spyromilio, European Southern Observatory

Le défi:

Utiliser des solutions « sur étagère » pour effectuer du calcul hautes performances (HPC) afin de contrôler en temps réel des applications d'optique active et adaptative, pour des télescopes extrêmement grands (Extremely Large Telescopes, ELT).

La solution​:

Associer l'environnement de programmation graphique LabVIEW à des processeurs multicœurs, pour développer un système de contrôle temps réel et prouver que la technologie « sur étagère » (COTS) peut contrôler le système d'optique de l'E-ELT (European Extremely Large Telescope), qui se trouve actuellement en phase de conception et de prototypage.

L'ESO (European Southern Observatory, observatoire européen austral) est une organisation de recherche astronomique financée par 13 pays européens. Nous avons déjà développé et mis en service quelques-uns des télescopes les plus performants du monde. Notre organisation exerce actuellement ses activités sur trois sites au Chili, dans la cordillère des Andes (observatoires de La Silla, de Paranal et de Chajnantor). Nous avons toujours promu les technologies les plus innovantes, depuis les premiers systèmes communs d'optique adaptative du télescope de 3,6 mètres de La Silla, jusqu'au déploiement de systèmes d'optique active dans le NTT (New Technology Telescope) de 3,5 mètres de La Silla, en passant par le VLT (Very Large Telescope) et son mode interférométrique intégré, à Paranal. En outre, nous travaillons en collaboration avec nos partenaires d'Amérique du Nord et d'Asie de l'Est sur la construction de l'ALMA (Atacama Large Millimeter Array), un télescope doté de 66 antennes capables de capter des ondes submillimétriques, dont la construction (sur le plateau de Chajnantor) coûtera environ 1 milliard de dollars et devrait s'achever en 2012.

 

L'E-ELT est notre prochain projet. La conception de ce télescope, dont le miroir primaire a un diamètre de 42 mètres, est actuellement dans sa phase B. Il a reçu 100 millions de dollars de financement pour la conception préliminaire et le prototypage. Une fois la phase B achevée, la construction devrait démarrer, fin 2010.

 

Optique active et adaptative à grande échelle

L'E-ELT bénéficie de l'expérience de l'ESO et de la communauté scientifique en matière d'optique active et adaptative et de miroirs segmentés. L'optique active implique une combinaison de capteurs et d'actionneurs, pilotés par un système de contrôle, permettant au télescope d'adapter correctement la forme du miroir (ceci s'appelle la collimation). Une configuration appropriée est continuellement maintenue, pour que le télescope élimine toute aberration résiduelle de l'image et pour accroître l'efficacité ainsi que la tolérance aux pannes. Ce type de télescope requiert des corrections d'optique active toutes les minutes chaque nuit, pour que la qualité des images ne soit diminuée que par les effets de la turbulence atmosphérique.

 

L'optique adaptative emploie une méthodologie similaire pour surveiller les effets de la turbulence atmosphérique à des fréquences de plusieurs centaines de Hertz. Elle permet ensuite de les corriger en utilisant un miroir fin auquel on applique les déformations nécessaires. La longueur d'onde de la turbulence détermine le nombre d'actionneurs agissant sur ces miroirs déformants. Les capteurs de front d'onde doivent permettre l’analyse très rapide de l'atmosphère et la transmission des commandes aux miroirs, afin de corriger toute aberration. C'est pourquoi il est nécessaire d'utiliser des matériels et des logiciels extrêmement performants.

 

En effet, le contrôle d'un système d'une telle complexité exige d'énormes capacités de traitement. Auparavant, nous développions des systèmes de contrôle propriétaires basés sur du contrôle en temps réel avec VME (Virtual Machine Environment), ce qui peut se révéler long et coûteux. Nous travaillons désormais avec les ingénieurs de National Instruments pour évaluer l’efficacité du système de contrôle du miroir primaire segmenté (M1) de l’E-ELT, en utilisant des matériels et des logiciels « sur étagère ». Nous étudions également ensemble des solutions « COTS » envisageables pour le contrôle en temps réel du miroir adaptatif (M4) du télescope.

 

M1 est donc un miroir segmenté constitué de 984 miroirs hexagonaux (voir Figure n°1), chacun pesant environ 150 kg et mesurant entre 1,5 et 2 mètres de diamètre, le miroir dans son ensemble mesurant 42 mètres. Par comparaison, le miroir primaire du télescope spatial Hubble a un diamètre de 2,4 mètres. Le miroir primaire de l’E-ELT mesure à lui seul quatre fois la taille de celui de n'importe quel télescope optique sur Terre. L'E-ELT comptera cinq miroirs au total (voir Figure n°2).

 

 

 

Un système de contrôle exigeant une puissance de calcul prodigieuse

Lors du fonctionnement de M1, les segments de miroir adjacents sont susceptibles de s'incliner en fonction de la position des autres segments. Cette inclinaison est mesurée par des capteurs situés en bordure de miroir, et des actionneurs peuvent ensuite déplacer les segments de trois degrés dans la direction souhaitée, si nécessaire. Avec les 984 segments de miroir, il y a donc 3 000 actionneurs et 6 000 capteurs au total (voir Figure n°3).

 

Le système, contrôlé par le logiciel LabVIEW, doit lire les données issues des capteurs pour déterminer la position des segments de miroir et, si ceux-ci se déplacent, il doit utiliser les actionneurs pour les remettre en position alignée. LabVIEW calcule donc le produit d'une matrice de 3 000 par 6 000 avec un vecteur de 6 000, et doit accomplir ce calcul entre 500 et 1 000 fois par seconde pour que l'ajustement des miroirs soit efficace.

 

 

Des capteurs et des actionneurs contrôlent également le miroir adaptatif M4. Toutefois, il s'agit ici d'un miroir fin déformable de 2,5 mètres de diamètre, sous lequel sont placés 8 000 actionneurs (voir Figure n°4). En termes de contrôle actif, le problème ressemble à celui de M1, mais au lieu de replacer le miroir en position alignée, il faut que M4 soit déformé de manière à s'adapter au front d'onde mesuré. Or les données correspondant au front d'onde forment un vecteur de dimension 14 000, et les données doivent être mises à jour toutes les millisecondes pour les 8 000 actionneurs, ce qui implique la multiplication d'une matrice de contrôle de 8 000 par 14 000 avec un vecteur de 14 000. En arrondissant cet impressionnant calcul à la multiplication d’une matrice de 9 000 par 15 000, cela demande près de 15 fois la puissance de calcul utilisée pour le miroir segmenté M1.

 

Nous travaillions déjà avec les ingénieurs de NI sur un système d'acquisition de données à grand nombre de voies et un système de synchronisation, lorsqu'ils ont commencé à étudier le problème de calcul et de contrôle. Ils sont actuellement en phase de simulation et de conception de la matrice et de la boucle de contrôle. Au cœur des opérations, une puissante fonction de produit matrice-vecteur LabVIEW exécute la majeure partie du calcul. Le contrôle de M1 et de M4 demandant une capacité de calcul gigantesque, nous avons choisi une approche utilisant plusieurs systèmes multicœurs. Comme le contrôle de M4 représente 15 produits de sous-matrices de 3 000 par 3 000, nous avons demandé 15 machines comportant autant de cœurs que possible. Le système de contrôle doit donc être adapté au traitement multicœur. Or LabVIEW offre cette possibilité avec des solutions « sur étagère », ce qui en fait une réponse particulièrement séduisante à notre problème.

 

Résolution avec la fonctionnalité HPC de LabVIEW sur machine multicœur

Comme nous avons demandé à ce que le système de contrôle soit conçu avant même la construction de l'E-ELT, la configuration du système est susceptible d'avoir des conséquences sur certaines caractéristiques du futur télescope. Il était donc vital que nous testions parfaitement la solution dans les conditions réelles de fonctionnement du télescope. Pour relever ce défi, les ingénieurs de NI ont non seulement mis en œuvre le système de contrôle, mais aussi mis au point un système de simulation en temps réel du miroir M1 permettant un test HIL (Hardware-In-the-Loop) du système de contrôle. Le HIL est une méthode de test habituellement employée pour les systèmes de contrôle dans les secteurs automobile et aérospatial, pour valider un contrôleur en utilisant un simulateur de système précis et temps réel. Les ingénieurs de NI ont créé un simulateur de miroir M1 qui réagit aux consignes du système de contrôle et permet donc de valider ses performances. En résumé, l'équipe NI a développé le système de contrôle et de simulation du miroir avec LabVIEW, et l'a déployé sur un PC multicœur équipé du Module LabVIEW Real-Time, pour une exécution déterministe.

 

Dans des applications HPC temps réel similaires, les tâches de communication et de calcul sont étroitement liées. Les erreurs du système de communication entraînent alors des pannes de l’ensemble du système. C'est pourquoi le processus de développement de l'application doit comprendre la conception de l'interaction entre les tâches de communication et de calcul. Les ingénieurs de NI voulaient un échange de données rapide et déterministe au cœur du système. Ils ont donc immédiatement écarté l'Ethernet standard pour les communications, car le protocole réseau sous-jacent n'est pas déterministe. Ils ont utilisé le réseau de variables partagées à déclenchement temporel du Module LabVIEW Real-Time pour la transmission de données entre le système de contrôle et le simulateur de miroir M1, obtenant ainsi un réseau fonctionnant à 36 Mb/s de manière déterministe.

 

NI a développé la totalité de la solution pour le miroir M1, qui comprend deux stations de travail Dell Precision T7400, chacun intégrant huit cœurs, ainsi qu'un ordinateur portable servant d'interface opérateur. Elle inclut en outre deux réseaux : un réseau standard reliant les deux cibles temps réel au portable, et un réseau Ethernet cadencé d'1 Gb entre les cibles temps réel pour la transmission des données d'E/S (voir Figure n°5).

 

En termes de performances du système, le contrôleur reçoit 6 000 valeurs issues des capteurs, exécute l'algorithme de contrôle pour aligner les segments et transmet 3 000 valeurs en sortie aux actionneurs pour chaque boucle. L'équipe NI a créé ce système de contrôle pour obtenir ces résultats ; elle a également mis au point la simulation du télescope en temps réel, baptisée « le Miroir ». Le Miroir reçoit les 3 000 consignes des actionneurs, y ajoute une représentation des variables de turbulences atmosphériques (le vent, par exemple), exécute l'algorithme du Miroir pour simuler M1 et produit 6 000 valeurs en sortie pour compléter la boucle. La boucle entière dure moins d'1 ms, pour un contrôle approprié du miroir (voir Figure n°6).

 

L'évaluation des multiplications matrice-vecteur, réalisée par les ingénieurs de NI, a consisté à comparer les configurations suivantes :

  • Module LabVIEW Real-Time avec machine intégrant deux processeurs quadri-cœurs, utilisant quatre cœurs, et précision simple à 0,7 ms
  • Module LabVIEW Real-Time avec machine intégrant deux processeurs quadri-cœurs, utilisant huit cœurs, et précision simple à 0,5 ms

 

M4 doit corriger les aberrations du front d'onde atmosphérique mesurées. Les ingénieurs de NI en ont conclu que le problème ne pouvait être résolu qu'en utilisant un système constitué de racks multicœurs, à la pointe de la technologie. Dell a invité l'équipe à tester la solution sur son M1000, un système à 16 racks (voir Figure n°7), et les résultats du test se sont révélés encourageants. Chacun des racks M1000 intègre huit cœurs, ce qui signifie que les ingénieurs ont réparti le problème du contrôle en LabVIEW sur 128 cœurs.

 

Les ingénieurs de NI ont prouvé qu'il est en effet possible d'utiliser LabVIEW et le Module LabVIEW Real-Time pour mettre en œuvre une solution « sur étagère » et pour contrôler des calculs tirant parti du multicœur afin d'obtenir des résultats en temps réel. Grâce à cette performance hors du commun dans le cadre de la conception de l'E-ELT, notre équipe continue de repousser les limites de l'informatique et de l'astronomie, ce qui constitue un pas de plus pour la communauté scientifique dans son ensemble.

 

 

Pour en savoir plus, vous pouvez contacter:

European Southern Observatory

Karl-Schwarzschild-Strasse 2

D-85748 Garching bei München

Tel: +49 89 320060

Fax: +49 89 3202362

E-mail: information@eso.org

Pour obtenir davantage d'informations sur les applications de HPC en LabVIEW, vous pouvez contacter :

Jeff Meisel, LabVIEW Product Manager

National Instruments Corporation, Austin, United States

Tel: (512) 683-8795

For a size comparison, two humans and a car stand next to the E-ELT. The M1 primary mirror, which is 42 m in diameter, features segmented mirror construction.
The E-ELT features a total of five mirrors.
LabVIEW software controls the M1 system comprised of 984 segments at 1.5 m each with six sensors and three actuator legs that provide 3 degrees of freedom for movement deviation.
4/7 A thin, flexible mirror spread across 8,000 actuators, the M4 can be deformed every few milliseconds to compensate for atmospheric interference.
NI engineers validated the mirror control system (right) with the M1 mirror HIL simulation (left).
To achieve required loop rates, NI engineers set up a highly deterministic network and called it from an application using timed sequences and timed loops.
7/7 This illustrates the current NI approach to implement M4. The problem is approximately 15 times more demanding than the M1 controller