用树莓派搜寻地外文明

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用树莓派搜寻地外文明

同济子豪兄 2018-10-10 11:51:00 浏览1574
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用树莓派搜寻地外文明

子豪兄开篇语:

本文介绍了如何用树莓派微型电脑参与世界上最大的分布式计算平台BOINC上的科学计算项目,特别是其中最著名的搜寻地外文明SETI@home项目。并介绍BOINC平台上涉及生物医学、气候变化、天体物理、密码破译、数学证明领域的分布式科学计算项目及区块链数字货币GridCoin。

如果你没有树莓派电脑,也可以用普通电脑参与SETI@home项目

二十年前SETI@home设计的分布式计算、数据分发回收、积分奖励系统,正是近几年火热的区块链和数字货币系统的思想萌芽。向本项目的所有贡献者致敬。

原创作者:同济大学开源软件协会 子豪兄Tommy 微信公众号:子豪兄的科研小屋

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原文地址 http://t.cn/EhTa6GY 发布于2018-10-06

Bilibili视频:科技小制作 - 树莓派的好去处——SETI@Home - by 科技小制作

Bilibili视频:子豪兄教你用树莓派搜寻地外文明

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SETI@home项目和伯克利开放式网络计算平台BOINC

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  • SETI@home是1999年加州大学伯克利分校发起的分布式计算项目,旨在发动全球计算机的闲置算力,分析阿雷西博射电望远镜搜集的宇宙射线数据,从不同频段识别可能的文明信号,搜寻地外文明。

  • 经过近20年的运营,SETI@home是迄今为止全球最成功的分布式计算项目,虽然没能找到地外文明的直接证据,但吸引全球志愿者贡献了巨量的算力,算力超过了任何已知的超算电脑,证明了分布式计算系统的强大。

  • 我们的电脑(或者树莓派)上的SETI@home客户端是怎样寻找外星信号的呢?数据从伯克利发到世界各地的电脑上,通过基线滤波(滤掉自然天体发出的宽带频段,聚焦在公认被用于星际通讯的窄带频段)、快速傅里叶变换(将射电望远镜的时域数据转换为频域数据)、啁啾数据(滤掉多普勒效应的影响)、搜索高斯信号(排除地球信号干扰),最终从中寻找可能代表地外文明信号的最佳高斯信号三连信号,将数据发回伯克利总部,并在屏幕保护界面上显示频率时间能量图。

  • 伯克利在此基础上开发了BOINC伯克利开放式网络计算平台(Berkeley Open Infrastructure for Network Computing),部署了涉及生物医学、气候变化、天体物理、密码破译、数学证明等众多领域的有趣的科研项目(项目详情见后文),其中还包括了中科院计算技术研究所和高能物理研究所的计算项目。

  • 著名作家刘慈欣在他的科幻小说中提到过SETI@home项目,比如《球状闪电》(第七章)和《三体》。在《球状闪电》第七章,讲述了两个科学家把他们要计算的球状闪电数学模型偷梁换柱放到了SETI@home服务器上,试图薅全世界志愿者的算力羊毛,最后事情败露被SETI@home主管发现的故事。而《三体》的整个故事都源于军方射电望远镜搜寻地外文明的绝密项目。

    刘慈欣《球状闪电》第七章摘录:完整版

    ​ 她告诉我一个网址,让我看看,口气很兴奋。
      我打开了那个网页,看到它的背景是太空的黑色,题头是在紫色的电波中漂浮的地球,网页的名字叫“SETI@home”,是“在你的家中搜寻地外文明“的英文缩写。
      其实我早就知道这个东西,这是一项旨在利用联入因特网的成千上万台计算机的闲置能力搜寻地外文明的巨大实验。SETI@home程序是一类特殊的屏幕保护程序,通过分析世界上最大的射电望远镜Arecibo获得的数据帮助搜寻地外文明。但是当大量的数据涌到眼前,要从中搜索出所需的信息时,一台超巨型计算机就成为必要的设备,不过这要花费一大笔钱方能办到。手头并不宽裕的科学家们想出了权宜之计:与其用一台巨大的计算机还不如由更多“小“电脑来分担这项繁重的工作。每天,Arecibo所接收到的数据都会被记录在高密度数字磁带上,传回设在加州大学的研究基地,随后这些数据将被分解成大小为0.25Mb的“工作单元”,再由SETI@home的主服务器分别发送到不同的个人电脑上。世界各地的网友们要做的仅仅是到该项目的站点下载并安装一个特殊的屏幕保护软件。这样,当人们结束工作休息时,这一屏幕保护程序开始运行,这台看似休息的电脑实际上已经加入到寻找外星人的行列中:接收、分析来自SETI@home以被分解成“工作单元”的数据,分析工作结束后系统会自动联机将分析结果传回主服务器,然后再接收另一新的“工作单元”。
      我从这个网站上下载了一个屏保软件,并启动了它。它的背景也是黑色的,下半部是射电望远镜接收到的信号在一个三维坐标系中的显示,看上去像是在鸟瞰一座由无数摩天大楼组成的超级城市,很是壮观。在左上角,显示着一条快速变化的波形,这是信号中正在被分析的部分,还有已完成的百分比,我看它运算了5分钟,只完成了0.01%。这个屏幕保护界面是这个样子的
      “太妙了!”我拍案叫绝,使得办公室中的其他人惊诧地看着我。那边比我们经费充足的科学家们在遇到与我们一样的难题时,能想出如此富有创造力的节俭办法,我真为自己汗颜。我立刻去新概念,当我见到电脑前的林云时,果然不出所料,她正在做一个主页。

    漫画《球状闪电》,作者:锋绘网

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    《球状闪电》漫画,作者:锋绘网
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    《球状闪电》漫画,作者:锋绘网

    刘慈欣《三体》摘录:

    ​ 美国和其他北约国家:外星文明探索的科学性和必要性已得到广泛认可,学术空气浓厚;OZMA计划:1960年,美国西维吉尼亚绿堤国家射电天文台。使用2-6米直径的射电望远镜探索外星文明,单通道接收,频率1420兆赫,搜索的目标鲸鱼座π星和波江座ε星,搜索时间约200小时;计划于1972年实施OZMAⅡ-计划,扩大搜索目标和频率和范围;同年计划发射先驱者10号和先驱者11号探测器。各携带有一张带有地球文明信息的金属卡;计划于1977年发射了旅行者1号和旅行者2号探测器,将携带金属唱片;1963年,位于波多黎各的阿雷西博望远镜建成,对外星文明探索意义重大,其收集能量的总面积约为20英亩,大于世界上其他-一切射电望远镜收集能量的面积总和,与计算机系统配合,可同时监视65000个频道,同时具备超大功率的发射功能。

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    ​ “可如果那个苏联人所设想的Ⅱ和Ⅲ型文明真的存在,我们应该能够听到他们的声音。”

    ​ “红岸运行的二十多年,我们什么都没有听到。”

    ​ “是,想到红岸和SETI,会不会这一切努力最后证明了一件事:宇宙中真的只在地球上有智慧生命?”叶文洁轻轻叹息一声:“从理论上讲,这可能是一件永远没有结论的事,但从感觉上,我,还有每一个经历过红岸的人,都认同这点了。”

  • 下面这个大数据可视化动画展示了SETI@home项目五分钟之内接受和分发数据的情况,黄色代表发送到世界各地的数据包,蓝色表示分析之后传回伯克利总部的数据包。目前该项目的数据全部来自位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜,后续将加入位于西弗吉尼亚的绿岸GBT射电望远镜和位于荷兰的Lofar射电望远镜

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SETI@home项目收发数据实时情况

我在初中一年级的时候就曾参与SETI@home项目。2010年我在百度SETI贴吧发的贴子,虽然没人回帖

在树莓派上安装BOINC并参与SETI@home分布式计算项目

1.在树莓派上安装BOINC客户端

仅需要一行命令即可在树莓派或者Ubuntu操作系统上安装BOINC

sudo apt-get install boinc-client boinc

在跳出的对话框中输入y和回车,确定下载安装,需要64MB存储空间。

安装成功之后,打开树莓派桌面(或者使用VNC远程桌面),在“系统工具”中点击“BOINC Manager”。

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2.选择你想参加的分布式计算项目

选择SETI@home,点击“下一步“

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BOINC平台上各领域有趣的分布式计算项目详细介绍见后文。

3.注册新账号或登陆已有账号

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4.自动从项目服务器上获取数据,开始计算

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现在,你的树莓派就开始自动计算并把数据发回项目服务器了,大功告成。

树莓派性能远不及平常电脑,计算一个数据包需要19个小时,而普通笔记本电脑计算一个数据包仅需3个小时。

而且树莓派上运行SETI@home不能看到本项目标志性的高大上信号处理屏幕保护图片,SETI@home屏幕保护界面解读,你也可以用普通电脑参与SETI@home项目

通过以下设置修改计算参数,防止CPU资源被全部占用,或CPU过烫

在命令行中输入以下命令查看实时CPU温度,在全速运行计算项目时CPU温度可能会达到100摄氏度以上,应密切注意CPU温度并调整适当计算参数。

vcgencmd measure_temp
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5.(本步可跳过)进一步完成账户设定,加入中国的SETI@home计算团队

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加入清华大学SETI@home团队(Tsinghua Univeristity)

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大功告成,退出浏览器即可。

BOINC平台上各领域有趣的分布式计算项目详细介绍

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BOINC平台上的科学计算项目

几个比较经典的项目:

  • 天文及物理

  • SETI@home:分析阿雷西博射电望远镜的海量数据,寻找可能的地外文明信号。

  • Einsten@home:分析LIGO和GEO600采集的海量观测数据,寻找引力波存在的证据。分析阿雷西博射电望远镜和费米伽马射线卫星传来的数据寻找脉冲星和中子星。由威斯康星大学密尔沃基分校发起。

  • Milkyway@home:使用Sloan数字巡天的数据来对银河系进行高精度的三维建模。

  • LHC@home:大型强子对撞机(LHC)是 CERN(欧洲核子研究组织)的一个粒子加速器装置,也是世界上最大的粒子物理实验室。它是人类现有的用于研究基本粒子特性的最强大的实验装置。LHC@home 的作用主要是对加速器进行模拟,并帮助改进 LHC 及其探测器的设计。

  • Cosmology@Home:寻找描述宇宙演化的数学模型。由UIUC大学发起。

  • Asteroids@home:研究小行星形状、自转周期、自转轴信息。

  • Universe@home:创建宇宙天体数据库,从最初的恒星到奇特的黑洞双星。

  • 地球物理

  • Climateprediction.net:牛津大学发起,旨在优化现有大气模型对二氧化碳、硫循环等的敏感程度。预测未来全球气候变化。

  • 生物信息学

  • CAS@home:帮助中国科学家研究蛋白质结构、纳米技术、肿瘤基因组学以及高能物理。由中科院计算技术研究所、中科院高能物理研究所、清华大学牵头发起。

  • RNA World:旨在识别、 分析、 结构预测和设计建立生物信息学软件的 RNA 分子。源代码全部公开,成果向公众公开。

  • MindModeling@home:使用计算模拟认知过程模型,以更好地理解人类的思维。

  • Rosetta@home:进行蛋白质的三维构造研究,设计出新的蛋白质以抗击艾滋病、疟疾、癌症以及阿尔茨海默氏症(老年痴呆症)。由美国华盛顿大学发起。

    本项目还开发了一款电子游戏 Foldit,目的是通过让全世界的玩家来折叠、组装蛋白质骨架和氨基酸侧链来发现特定功能的蛋白质。几年前,玩家们用十几天时间破解了科学家们研究长达十五年之久的M-PMV PR蛋白的结构(它与艾滋病病毒使用的逆转录酶有关)。这一结果发表在了著名学术期刊Nature的Structural and Molecular Biology(结构与分子生物学)子刊上。这个游戏也有汉化版,但汉化做的一般。【子豪兄玩游戏】玩蛋白质折叠小游戏,发Nature子刊大论文

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    Foldit蛋白质折叠小游戏
  • GPUGrid.net:利用 NVIDIA 显卡(GPU)来进行全原子的分子动力学模拟。计算生物学的应用给生物医药学带来了新的研究方向。

  • DENIS@home:通过心脏电生理仿真,研究心脏的电活动。

  • 物联网

  • Quake Catcher Network:使用连接到智能手机的传感器来检测地震波。由南加利福尼亚大学发起。

  • Radioactive@home:使用志愿者计算机上的传感器来建立一个免费并持续更新的辐射强度地图。你需要购买一个传感器来加入这个项目。

  • 数学与密码学

  • PrimeGrid:寻找已知最大的质数。

  • NFS@home:进行大数的分解质因数。

  • Collatz Conjecture:研究考拉兹猜想(Collatz conjecture),一个尚未被证明的数学猜想。

  • Enigma@home:试图破译三条二战期间的纳粹德军加密Enigma电文消息,这些消息于1942年11月25日在北大西洋截获而且一直被认为是不可破解的。该项目采用暴力破解和梯度算法(爬山法)的混合方法试图破译(项目说明)。第一条加密信息于2006年2月20日被成功破译(译文)。第二条加密信息于2006年3月7日被成功破译(译文)。第三条信息尚未被破译。

子豪兄批注:

两条加密电文的译文都是关于当时大西洋潜艇战德军U型潜艇的位置、行动航向、速度、遭受攻击,以及战场风向、天气、能见度等战场情报。

“图灵机”概念创始人、人工智能之父阿兰图灵二战期间秘密受命于英国军方,也在从事破译德军Enigma密码的工作并取得成功,使德军在大西洋的“潜艇狼群战术”破产。卷福主演的电影《模仿游戏》讲述的就是这一段历史。关于二战期间英德两国的潜艇战和密码战,以及数学天才阿兰图灵的传奇人生,推荐观看北京电视台档案栏目:二战英德密码战、罗辑思维《庸众的迫害》

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几个项目的屏幕保护界面
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SETI@home屏幕保护界面

SETI@home屏幕保护界面解读

BOINC各项目屏幕保护动画

数字货币与BOINC科学计算的结合——GridCoin

<div align=center>
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</div>

​ 众所周知,传统的区块链数字货币(比如比特币、以太坊),为了保证区块的安全和交易速度,引入了挖矿的“工作量证明共识机制”(比特币的产生与挖矿),挖矿本质上是区块链的参与者用计算设备、算力、电力能源换取区块链交易记账权并获取数字货币奖励的过程。挖矿消耗了巨量的电力能源,造成显卡矿机的军备竞赛和矿池“矿霸”的出现,而用于比特币和以太坊挖矿的算力和能源并不能为实体经济产生价值。于是,基于真实科学计算平台BOINC的虚拟货币GridCoin应运而生。GridCoin格雷德币于2013年10月上线,2015年3月改版升级。它依托BOINC(伯克利分布式计算)平台,这个币以去中心化机制,按照科学计算的贡献决定挖矿收益,用算力支持了BOINC平台上涉及生物医学、气候变化、天体物理、密码破译、数学证明、搜寻地外文明等众多领域的有趣的科研项目,解决了比特币挖矿被诟病的浪费能源的问题。创始人Rob Halford三年半以来一直坚持开发,带领一支活跃的开发团队,解决了初期的种种bug,保证了这个币的稳定性和科学计算功能。目前,格雷德币团队在BOINC中的所有十万支团队中近期积分排名第一BOINC全球团队积分排行榜总积分也达到了第六名。

​ Gridcoin格雷德币的矿工如果只是挖矿记账,而不将算力贡献给BOINC科学计算平台,那么每个BLOCK的回报只有5个格币;如果将算力贡献给BOINC科学计算平台,每个BLOCK的回报根据贡献算力的大小将达到6到150个格币。

​ Gridcoin格雷德币充分考虑了避免ASIC(专业矿机)的渗入,保证只有个人电脑的CPU和GPU才能挖矿。格币提供更快的交易确认:平均2.5分钟生成一个新区块,采用SCRYPT的POW(工作量证明)算法。

数字货币Grid官方白皮书

知乎:对格雷德币(Gridcoin,GRC)的了解与初步获取方法

子豪兄批注:

二十年前SETI@home设计的分布式计算、数据分发回收、积分奖励系统,正是近几年火热的区块链和数字货币系统的思想萌芽。向本项目的所有贡献者致敬。

除了将挖矿算力和能源用于科学计算的GridCoin,还有很多尝试将挖矿与实体经济结合且获得良好效果的虚拟货币和区块链系统,比如星际文件系统IPFS(分布式区块链文件存储系统)、IOTA(用于物联网)。

本文会在未来继续更新和勘误,最新版以Github上的子豪兄博客合集为准

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原文地址 http://t.cn/EhTa6GY 发布于2018-10-06

同济大学开源软件协会

重庆大学树莓派爱好者俱乐部、人工智能协会、创新实践中心

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扩展阅读与参考文献

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维基百科:SETI@home

BOINC官方主页

BOINC中国分布式总站

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SETI@home官方主页

SETI@home屏幕保护界面解读

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Gridcoin格雷德币是什么|金色百科

知乎:除了比特币,还有哪些区块链的数字货币值得投资?走地鸡的回答

比特币的产生与挖矿?

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知乎:对格雷德币(Gridcoin,GRC)的了解与初步获取方法

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