全球影響力:藉助GPUs,監控海平面上升更精準

作者 Tonie Hansen

編輯手札:此為介紹 NVIDIA 2016 全球影響力大獎五名決賽入圍者系列文章之一。NVIDIA 將頒發15萬美元給運用 NVIDIA 技術,在解決社會、人道與環境問題方面有突破性進展的研究人員。

氣候變遷造成海平水上升一事可能會影響到全球四分之一的人口,不過精準測量這項數據對氣候科學家而言更是一項艱鉅的挑戰。

過去以陸地上的儀器刻度來測量判斷海平面,但是這有一個問題:地球的地殼構造也在移動,就算儀器上顯示海平面維持不變,仍有可能因為陸地移動而搞錯數據。

瑞典查爾姆斯理工大學的 Thomas Hobiger 及同夥的研究人員利用 GPS 接收器和平行運算技術來解決這個問題。他們不參照陸地上的儀器刻度來測量水平面,而是採用反射自靜態來源的信號,而這個靜態來源便是全球導航衛星系統反射信號,又稱為 GNSS-R。

 以圖表方式說明軟體定義無線射頻 GNSS-R 解決方案的數據流內容。接收到直接(RHCP)與反射(LHCP)信號、轉換為 A/D,再經由 1 Gbit 乙太網路連線傳送到託管的 PC 上,交由 Tesla K40 GPU 處理信號。
以圖表方式說明軟體定義無線射頻 GNSS-R
解決方案的數據流內容。接收到直接
(RHCP)與反射(LHCP)信號、轉換為 A/D,
再經由 1 Gbit 乙太網路連線傳送到託管的 PC 上,
交由 Tesla K40 GPU 處理信號。

他們的研究成果就是這麼巧,據紐約時報所述,兩支不同的研究團隊上週發表他們的發現,指出當前海平面上升的速度是近三千年來最快者

Hobiger 及其團隊的研究讓他們成為 NVIDIA 2016年全球影響力大獎決賽的五名入圍者之一。NVIDIA 每年頒發15萬美元給運用 NVIDIA 技術,在解決社會、人道與環境問題方面有突破性進展的研究人員。

2009年 NVIDIA 首屆 GPU 科技年會給了 Hobiger 莫大的啟發,當時來自世界各地的研究人員齊聚大會,分享他們對 GPU 運算的獨到見解。Hobiger 自此開始使用 GPU 來處理降雪深度、水平面和原子鐘的數據。

在過去的一年半裡,Hobiger 的團隊將重點放在使用 GNSS-R 來測量海平面的案子上。他們在海岸沿線佈設 GPS 接收器,搭配水面反射的 GPS 信號,接著他們將數據信號投入 NVIDIA 的 GPU 即時計算水平面,提升了測量準度。

Hobiger 選擇精度達到釐米水準的反射測量技術,不過這項技術需要強大的後端處理能力,讓這項方案更具實用性。在 NVIDIA GPU 與 CUDA 程式設計模組的加持下,降低了 GNSS-R 解決方案的成本,也提高了它的效率。

去年3月60個小時的測試結果。軟體接收器的海平面高度(紅線)與鄰近潮汐觀測站的測量結果(藍線)一同繪製。比較兩者得出不到 9 mm 的 RMS,相關性高於 .995
去年3月60個小時的測試結果。軟體接收器的海平面高度(紅線)與鄰近潮汐觀測站的測量結果(藍線)一同繪製。比較兩者得出不到 9 mm 的 RMS,相關性高於 .995。

「硬體測量方式窒礙難行、耗費時間又極為死板,要是我們在軟體裡處理信號,可以開展出無限的可能性。」Hobiger 說。「那正是我們使用 GPU 的原因,尤其是再加上 CUDA 架構。」

團隊採用 CUDA 的 cuFFT 的元件庫來處理數據,Hobiger 指出他們的解決方案較其它研究單位採用之相似硬體測量法,在成本方面更為低廉。

反射測量系統的數據以每秒 800mb 的速度不斷流入。Hobiger 的團隊使用 NVIDIA Tesla 與 GeForce GPU 的平行處理能力,能夠一直追上資訊流入的速度。

「要是沒有這些 GPU,我們便無法即時處理所有信號。」Hobiger 說。
Hobiger 採用開放源碼架構的軟體,可在桌面上搭配其它地區海平面測量儀器使用。

Hobiger 說:「我們必須瞭解自己所在的這個星球,以及它未來可能變動的方向。應該提高人們對地球科學的認知,畢竟這是我們的地球。」

瞭解去年NVIDIA 全球影響力大獎得主的不凡成就。4月4-7日於矽谷舉行的GPU 科技大會上將宣布2016年全球影響力大獎得主。