La France se dote de supercalculateurs de plus en plus puissants pour faire avancer la recherche dans des domaines variés comme l’intelligence artificielle, le climat ou la santé. Le supercalculateur Jean-Zay, inauguré en 2019, est le plus puissant du pays et le premier à être convergé entre calcul intensif et intelligence artificielle. Il sera bientôt rejoint par un nouveau supercalculateur Exascale, capable de réaliser un milliard de milliard d’opérations par seconde. Mais qu'est ce qu'un supercalculateur et comment ça fonctionne ? On entre dans le vif du sujet dans ce dossier dédier aux supercalculateurs.
Comment fonctionnent les supercalculateurs ?
Les
supercalculateurs sont des machines très puissantes qui traitent des
données à des vitesses mesurées en opérations en virgule flottante par
seconde (FLOPS) pour effectuer des calculs et des simulations complexes,
généralement dans le domaine de la recherche, de l’intelligence
artificielle et du big data (données numériques très volumineuses, très variées et très rapides)
Les
supercalculateurs se distinguent des ordinateurs ordinaires par leur
architecture, qui repose sur le traitement parallèle plutôt que sur le
traitement en série. Au lieu de faire une chose à la fois, ils font
plusieurs choses à la fois. Les supercalculateurs sont composés de
milliers de processeurs (CPU) qui travaillent ensemble pour résoudre des
problèmes. Ces processeurs sont regroupés en nœuds de calcul et de
mémoire, qui communiquent entre eux par un réseau à haut débit.
Il
existe différents types de supercalculateurs selon leur conception et
leur utilisation. Certains sont dits massivement parallèles,
c’est-à-dire qu’ils utilisent un grand nombre de nœuds identiques et
indépendants. D’autres sont des grappes (clusters), c’est-à-dire qu’ils
assemblent plusieurs ordinateurs standards reliés par un réseau local.
D’autres encore sont des grilles (grids), c’est-à-dire qu’ils exploitent
les ressources informatiques disponibles sur un réseau étendu comme
Internet.
Les supercalculateurs nécessitent des logiciels
adaptés à leur architecture et à leurs applications. Ils utilisent
souvent des systèmes d’exploitation basés sur Linux ou Unix, ainsi que
des langages de programmation comme C, C++, Fortran ou Python. Ils
utilisent aussi des bibliothèques et des outils spécifiques pour gérer
le parallélisme, la distribution, la communication ou la visualisation
des données.
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| Le supercalculateur Jean Zay de l'IDRIS. (Com-idris, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons) |
Jean-Zay, le champion français du calcul
Le supercalculateur Jean-Zay est installé à l’Institut du développement et des ressources en informatique scientifique (Idris) du CNRS, sur le campus de l’université Paris-Saclay. Il a été développé par GENCI, le Grand équipement national de calcul intensif, avec le soutien du ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche.
Jean-Zay est une machine dite convergée, ce qui signifie qu’elle peut effectuer des calculs haute performance (HPC) comme des calculs dédiés à l’intelligence artificielle et ses applications, auxquelles il est tout particulièrement destiné. Il dispose de 86 344 cœurs de calcul et de 2 696 accélérateurs graphiques (GPU), qui lui confèrent une puissance de 28 pétaflops, soit 28 millions de milliards d’opérations par seconde.
Jean-Zay est aussi un champion de l’efficacité énergétique grâce à sa technologie de refroidissement à eau tiède, dont les calories sont récupérées pour chauffer le bâtiment du CNRS et bientôt ceux de l’université Paris-Saclay.
Jean-Zay répond aux besoins de plus de 1 600 chercheurs, académiques et industriels, au travers de plus de 600 projets de recherche ouverte issus des communautés de la simulation numérique et de l’intelligence artificielle. Il permet par exemple d’étudier la propagation du Covid-19, les changements climatiques ou la formation des galaxies.
Une machine capable de réaliser un milliard de milliard d’opérations par seconde, soit mille fois plus que Jean-Zay
Exascale, le futur du calcul
Le supercalculateur Exascale est un projet européen qui vise à doter le continent d’une machine capable de réaliser un milliard de milliard d’opérations par seconde, soit mille fois plus que Jean-Zay. Ce niveau de performance est nécessaire pour relever les défis scientifiques et sociétaux du XXIe siècle.
La France a candidaté pour accueillir un supercalculateur Exascale sur son territoire, avec le soutien financier de l’Union européenne. Le CEA de Bruyères-le-Châtel (Essonne) a déjà aménagé une salle pour accueillir ce futur monstre du calcul, qui aura pour nom Jules Verne.
L’Exascale français devrait entrer en fonction en novembre 2025. Il sera utilisé pour des applications stratégiques comme la défense, l’énergie ou la santé. Il servira aussi à développer les logiciels adaptés aux futures machines exaflopiques, grâce au programme NumPEx, qui réunit le CEA, le CNRS et l’INRIA.
Les supercalculateurs Jean-Zay et Exascale sont des outils de pointe pour la recherche française. Ils permettent aux chercheurs d’accéder à des capacités de calcul inédites et de faire progresser la connaissance dans des domaines clés pour l’avenir.
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| Le supercalculateur Frontier (Oak Ridge National Laboratory, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons) |
Frontier, le supercalculateur le plus rapide du monde
Frontier est le premier supercalculateur capable d’atteindre l’exaflop, c’est-à-dire un milliard de milliard d’opérations par seconde. Il est hébergé au Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) dans le Tennessee, aux États-Unis, et est opérationnel depuis 2022. En mars 2023, Frontier est le supercalculateur le plus rapide du monde, selon la liste TOP500 (projet qui classe et détaille les 500 supercalculateurs les plus puissants du monde 2 fois par an depuis 1993). Il utilise des processeurs et des accélérateurs graphiques (GPU) AMD, qui lui confèrent une puissance de 1,102 exaflops. Il est aussi très efficace sur le plan énergétique, grâce à son système de refroidissement à eau tiède.
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| Les 5 plus puissants supercalculateurs (2023) (via top500.org ) |
Frontier est utilisé pour la recherche scientifique et le développement dans des domaines variés comme la physique quantique, la météorologie, l’exploration pétrolière et gazière, la modélisation moléculaire ou les simulations physiques. Il permet par exemple d’étudier la propagation du Covid-19, les changements climatiques ou la formation des galaxies.
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