十三

沒錯(cuò)，恰如麻省理工學(xué)院校長L. Rafael Reif指出的，LIGO一直以來是數(shù)千大學(xué)生和數(shù)百博士生艱苦的訓(xùn)練場，這項(xiàng)研究吸引了全世界上千名科學(xué)家以及高校大學(xué)生參與其中。作為中國大陸唯一LIGO科學(xué)合作組織成員，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以高精度的數(shù)據(jù)分析能力幫助“凈化”了引力波探測中的干擾信號(hào)，在引力波的探測中作出了貢獻(xiàn)。

曹軍威老師的團(tuán)隊(duì)

清華團(tuán)隊(duì)開始參與LIGO的相關(guān)工作，始于曹軍威。曹軍威，現(xiàn)任清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、天體物理中心兼職研究員，LIGO科學(xué)合作組織（LSC）理事會(huì)成員。

2004～2006年，在美國麻省理工學(xué)院空間研究中心工作的曹軍威，便參與了引力波數(shù)據(jù)計(jì)算和分析的工作。在美國工作的兩年多時(shí)間中，曹軍威時(shí)刻關(guān)注著LIGO的工作動(dòng)態(tài)。當(dāng)時(shí)，美國提出“新一輪的基礎(chǔ)架構(gòu)化”將以信息技術(shù)為引擎，主要指基于分布計(jì)算機(jī)、信息和通信技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)，稱為信息基礎(chǔ)架構(gòu)（Cyber- infrastructure），認(rèn)為其對(duì)于知識(shí)經(jīng)濟(jì)的重要性可以與傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)對(duì)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的支撐作用相比擬。曹軍威覺得，國內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)也不應(yīng)該在這個(gè)領(lǐng)域落后。

“技術(shù)的最新挑戰(zhàn)往往最先出現(xiàn)在重大科學(xué)前沿問題的探索過程中”，信念已定，2006年回國后，曹軍威馬上組織創(chuàng)建了清華大學(xué)LIGO工作組。這是一支跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)，由來自清華大學(xué)信研院、自動(dòng)化系、計(jì)算機(jī)系和工程物理系的教師和學(xué)生組成。曹軍威是負(fù)責(zé)人，研究團(tuán)隊(duì)包括都志輝副教授，以及另一位來自清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系的王小鴿副教授。

曹軍威認(rèn)為，數(shù)據(jù)分析最大的挑戰(zhàn)在于LIGO數(shù)據(jù)的采樣頻率特別高，達(dá)到每秒1萬6千次以上，采樣信道達(dá)上萬個(gè)，數(shù)據(jù)量大，需要先進(jìn)的計(jì)算機(jī)處理技術(shù)做支撐，提高數(shù)據(jù)處理效率，這也是清華團(tuán)隊(duì)的工作重點(diǎn)。

例如，引力波數(shù)據(jù)分析極為關(guān)鍵的一步是區(qū)分引力波信號(hào)和其他干擾信號(hào)。清華團(tuán)隊(duì)將人工智能領(lǐng)域的核心“機(jī)器學(xué)習(xí)”方法用于加強(qiáng)引力波數(shù)據(jù)噪聲分析。

這樣，引力波信號(hào)探測的物理問題被轉(zhuǎn)化成了一個(gè)數(shù)據(jù)分析處理問題。曹軍威說，對(duì)數(shù)據(jù)本身關(guān)聯(lián)性的判斷正是機(jī)器學(xué)習(xí)的強(qiáng)項(xiàng)，也正是具有自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)學(xué)科背景的清華團(tuán)隊(duì)所擅長的。

2009年，在匈牙利布達(dá)佩斯，LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）和Virgo聯(lián)合工作會(huì)議上，曹軍威做了近20分鐘的大會(huì)報(bào)告，詳細(xì)介紹了清華大學(xué)信研院LIGO工作組的研究進(jìn)展與計(jì)劃，并正式申請(qǐng)加入LIGO科學(xué)合作組織（LSC）。當(dāng)時(shí)，與會(huì)的近200名LIGO和Virgo科學(xué)合作組織成員聽取了報(bào)告，并在隨后舉行LSC理事會(huì)議上正式通過了清華大學(xué)的申請(qǐng)。

這意味著清華大學(xué)成為第一個(gè)來自中國的LIGO科學(xué)合作組織成員，在引力波探測數(shù)據(jù)分析方面，填補(bǔ)了中國在這一領(lǐng)域研究的空白，在世界一流科學(xué)合作組織中爭取到了一席之地。

近幾年來，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)主要與麻省理工學(xué)院、加州理工學(xué)院和西澳大利亞大學(xué)等LSC成員合作開展工作，主要研究成果包括：GPU加速引力波暴數(shù)據(jù)分析和實(shí)現(xiàn)低延遲實(shí)時(shí)致密雙星并合信號(hào)的搜尋；采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法加強(qiáng)引力波數(shù)據(jù)噪聲的分析；分析引力波事件顯著性的系統(tǒng)誤差等。

“科學(xué)探索的需求一直是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力之一?！痹谝淮尾稍L中，曹軍威闡釋了參與LIGO項(xiàng)目的初衷，“我們參與LIGO項(xiàng)目也是希望從應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的角度開展先進(jìn)計(jì)算技術(shù)的研究工作，LIGO引力波數(shù)據(jù)雖然沒有高能物理方面的數(shù)據(jù)量大，但其處理要求非常高，對(duì)計(jì)算技術(shù)的挑戰(zhàn)非常大，我們參與其中可以掌握第一手的應(yīng)用需求，有的放矢的開展計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究?！?/p>

引力波探測是一個(gè)世界性的大項(xiàng)目，集合和人類在物理、工程、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)方面最先進(jìn)的理論、技術(shù)、和智慧。作為最前沿、最頂尖的科學(xué)探索之一，曹軍威對(duì)其曾總結(jié)過三個(gè)特點(diǎn)：

第一，投資規(guī)模大。曹軍威回到清華大學(xué)任教之前曾在美國麻省理工學(xué)院LIGO實(shí)驗(yàn)室工作，LIGO天文臺(tái)的建設(shè)斥資6億多美元，每年的運(yùn)行費(fèi)用在3000萬美元以上，因此，類似這樣的研究對(duì)資源共享的需求很迫切。

第二，多學(xué)科交叉。這樣規(guī)模的科學(xué)探索遠(yuǎn)超出某個(gè)單一學(xué)科的范疇，必須是物理、天文、機(jī)械、激光、精密儀器、信息等方方面面的專家共同參與。曹軍威曾經(jīng)在LIGO實(shí)驗(yàn)室的工作是利用先進(jìn)計(jì)算技術(shù)，開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)和工具，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的跨域共享與分析。

第三，國際間合作緊密。這樣的挑戰(zhàn)往往超出某一個(gè)研究小組、一個(gè)大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)，甚至一個(gè)國家的能力，必須在全球范圍聯(lián)合攻關(guān)。LIGO科學(xué)合作組織由美國和歐洲等90多個(gè)單位的1000余名研究人員組成，共同對(duì)LIGO天文臺(tái)每天產(chǎn)生的上萬億（TB）量級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享和分析。

因此，引力波探測必定是一次全球智慧的協(xié)作與“眾包”，而清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，正是這個(gè)“特大集成研究項(xiàng)目”中的一環(huán)。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在LIGO的引力波探測的科研探索中，先后有一千多人參與。在這支隊(duì)伍中，有些人轉(zhuǎn)行去了硅谷，做了碼農(nóng)、工程師，有些先驅(qū)早已溘然長逝，但他們的功績不可磨滅。正是他們對(duì)于科學(xué)技術(shù)極限不斷地突破與嘗試，不但印證了愛因斯坦的理論，還帶動(dòng)了激光、材料、光學(xué)、工程、計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科前沿的發(fā)展，很多LIGO衍生出的技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體制造、能源、材料、大數(shù)據(jù)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

為了這次探測，從材料、鍍膜、隔震、激光、真空，再到超級(jí)計(jì)算機(jī)、數(shù)值相對(duì)論、快速信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析、快速空間定位、參數(shù)估計(jì)，每一步都包含了科研人員的辛勤與付出。在曹軍威看來，探測器的精度提升和數(shù)據(jù)分析處理相輔相成，最終成就了引力波探測的成功，這是全世界千余名研究人員共同努力的結(jié)果。

一名清華理工男的科研日常

郭翔宇，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系高性能計(jì)算所2013級(jí)碩士研究生，同時(shí)也是清華LIGO工作組中一名普通的學(xué)生科研人員。2013年，剛剛碩士研究生入學(xué)的郭翔宇，就跟隨其導(dǎo)師都志輝副教授，承擔(dān)起了LIGO“引力波探測項(xiàng)目”中數(shù)據(jù)處理的相關(guān)科研工作。

每天清晨，還不到8點(diǎn)，郭翔宇一如平常地走進(jìn)東主樓8層的實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)歷著一個(gè)典型清華理工男的日?！鰧?shí)驗(yàn)、例會(huì)討論、閱讀文獻(xiàn)資料、修改實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、攻克大大小小的Deadline。

郭翔宇每天的科研任務(wù)，簡單來說，就是讓引力波數(shù)據(jù)分析處理的過程變得更有效率，利用盡量少的計(jì)算資源，分離并辨別出可能是引力波的成分。這需要通過優(yōu)化GPU（計(jì)算機(jī)圖形處理器）加速引力波數(shù)據(jù)處理的過程，將引力波的信號(hào)搜尋做到接近實(shí)時(shí)化。

“我一直對(duì)GPU加速的相關(guān)技術(shù)感興趣，沒想到剛一入學(xué)就承擔(dān)了如此重大的科研項(xiàng)目”回想起加入LIGO科研工作，郭翔宇仍十分感慨。

“對(duì)我來說，這是個(gè)嶄新且陌生的領(lǐng)域，需要接觸物理、天文學(xué)等跨學(xué)科的知識(shí)，不斷學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)GPU加速方面的相關(guān)知識(shí)、閱讀相關(guān)論文，重復(fù)不斷地做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這都完全需要依照導(dǎo)師的要求進(jìn)行自學(xué)。”

“之前的學(xué)長將GPU的信息處理速度加速了58倍后，整個(gè)科研遭遇到了一些瓶頸”， 對(duì)于GPU的加速，前后有過六七個(gè)人參與到這項(xiàng)科研攻關(guān)中。導(dǎo)師都志輝老師也都親力親為，甚至經(jīng)常和同學(xué)們一起熬夜到凌晨、共同解決難題。

與此同時(shí)，作為一個(gè)世界性的科研項(xiàng)目，郭翔宇所在的團(tuán)隊(duì)需要不斷地進(jìn)行國際交流。他和導(dǎo)師每周都要與西澳大利亞大學(xué)的項(xiàng)目組成員跨洋討論，還遠(yuǎn)赴澳大利亞進(jìn)行了3個(gè)月高強(qiáng)度的學(xué)術(shù)攻關(guān)。同時(shí)，參加“LIGO?清華討論會(huì)”，與意大利的VIRGO引力波探測工作展開密切合作，不定期地與西方發(fā)達(dá)國家的物理界、數(shù)據(jù)處理等相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者進(jìn)行交流。

2015年4月13日，清華大學(xué)FIT樓召開的“2015北京引力波研討會(huì)”上，郭翔宇作為其中一員與西澳大利亞大學(xué)的教授們展開交流。該研討會(huì)從2013年開始，由清華大學(xué)LIGO工作組每年定期主辦一次。

“導(dǎo)師每天都和我們在一個(gè)辦公室，有什么問題就可以直接上去問，他都會(huì)非常耐心地給予解答。”而每周例行的“跨洋例會(huì)”，針對(duì)上一周遇到的問題，都志輝老師和西澳大利亞大學(xué)的溫琳清作為“雙導(dǎo)師”，都會(huì)給出一些方法，指導(dǎo)郭翔宇進(jìn)行進(jìn)一步的研究，修改實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

“一年多來，我在先前的基礎(chǔ)上，將探測器GPU的信息處理速度從原有的 58倍提升到了 120 倍以上?！?/p>

“引力波探測成功消息公布的那一刻，我也非常激動(dòng)。導(dǎo)師和團(tuán)隊(duì)成員都通過郵件進(jìn)行的相互慶祝后，還是繼續(xù)投入到下一步的研究中?！惫栌钐寡裕皼]想到引力波可以在新年刷屏，不過作為這個(gè)團(tuán)隊(duì)的一分子，真的很有成就感?！?/p>

親身參與“世界級(jí)的科研難題攻關(guān)”是怎樣一種體驗(yàn)？在郭翔宇看來，正是這次寶貴的經(jīng)歷，激發(fā)了他對(duì)科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)了科學(xué)研究的方法，參悟到了科學(xué)研究的本質(zhì)。

（本文來自清華大學(xué)研究生公號(hào)對(duì)相關(guān)師生的專訪）