A quoi cela sert? frontière, le supercalculateur le plus puissant et le plus rapide au monde fonctionnant au laboratoire national d'Oak Ridge ? De la modélisation des réacteurs à la prévision climatique.
Cette question a un contexte plus large. On me demande souvent pourquoi nous construisons des machines aussi puissantes, si chacun de nous peut avoir un ordinateur ? Bien sûr, les supercalculateurs sont des machines très coûteuses qui consomment énormément d’énergie, mais ce que nous en tirons est bien plus précieux. Aujourd'hui, je vais essayer de l'expliquer en utilisant l'exemple du supercalculateur Frontier.
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Pourquoi avons-nous besoin de supercalculateurs ?
En bref, les superordinateurs peuvent traiter d’énormes flux d’informations. Notre monde évolue très rapidement, l'humanité a créé une énorme base de données qu'il faut enfin traiter, analyser, regrouper, sauvegarder. Cela nous aidera, par exemple, à obtenir de nouveaux médicaments, moins chers et plus efficaces, des matériaux plus durables, à prévoir les changements climatiques sur des décennies, etc. Les supercalculateurs nous permettent de modéliser le comportement des objets que nous allons construire, comme les réacteurs à fusion. Et ce ne sont là que quelques exemples d’applications des supercalculateurs les plus rapides. Oui, ils coûtent très cher à fabriquer et à entretenir, mais ils en valent la peine.
Mais commençons par les bases. Au fait, qu’est-ce qu’un supercalculateur ? Il n’y a pas encore de définition claire de cela. Cependant, une caractéristique de chaque supercalculateur actuellement en service est une puissance de calcul très élevée. Une définition simplifiée peut être trouvée sur Internet, selon laquelle un supercalculateur est une machine capable d'atteindre une performance de calcul d'au moins 1 téraflops, soit 1012 (billions) d'opérations en virgule flottante par seconde. C'est beaucoup par rapport aux ordinateurs domestiques ordinaires.
Si auparavant la vitesse des ordinateurs était mesurée en IPS (instructions par seconde), alors une nouvelle unité devait être inventée pour les supercalculateurs - FLOPS, c'est-à-dire opérations en virgule flottante par seconde. Plus ce chiffre est élevé, plus l’ordinateur est puissant.
Bien entendu, une approche basée sur un certain seuil de calcul devient assez rapidement obsolète, car les performances des processeurs qui constituent le cœur de ces machines évoluent et grandissent constamment. Avec chaque sortie de nouveaux processeurs, la productivité des ordinateurs modernes augmente également. Cependant, leur construction est très difficile et coûteuse financièrement.
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Quels supercalculateurs sont les plus rapides ?
Nous disposons des dernières données sur cette question. En novembre 2023, le site Top500.org, qui publie régulièrement depuis de nombreuses années les évaluations des performances des ordinateurs les plus puissants de la planète, a publié la dernière, 62e édition du classement Top500, qui présente les 500 supercalculateurs les plus performants qui existent actuellement. .
Le système Frontier reste le supercalculateur le plus efficace de la planète. Ce supercalculateur est le premier système informatique exascale au monde, c'est-à-dire que sa vitesse dépasse 1 exaflops. Frontier lui-même est situé au National Laboratory, situé à Oak Ridge, Tennessee, États-Unis. Ce supercalculateur est actuellement leader avec un score HPL (High Performance LINPACK - un test spécial qui évalue les performances brutes des supercalculateurs) à 1193 EFlops (un exaflop est un quintillion, soit 1018 calculs en virgule flottante par seconde).
A titre de comparaison : la vitesse de la puce la plus puissante Apple Le M1 Ultra mesure environ 21 téraflops (un billion de FLOPS). Le nombre est énorme, c'est un fait. Étonnamment, en 2002, il existait un ordinateur qui développait une vitesse encore plus élevée : il s'agit du supercalculateur Earth Simulator du géant japonais de la technologie NEC Corporation. Sa vitesse était d'environ 36 téraflops !
Le Frontier utilise des processeurs AMD EPYC 64C 2 GHz et est basé sur la dernière architecture HPE Cray EX235a. Il est assemblé à partir de 9408 processeurs AMD EPYC et de 37632 accélérateurs AMD Instinct MI250x. Au total, le système dispose de 8 699 904 cœurs de processeur et graphiques. De plus, le Frontier a une efficacité énergétique impressionnante de 52,59 GFlops/watt et utilise le réseau HPE Slingshot 11 pour le transfert de données. Ainsi, lors des tests, il est capable de produire jusqu'à 1,1 exaflops. Les performances maximales ont atteint un record de 1,686 600 exaflops. Le coût de l'appareil est estimé à XNUMX millions de dollars.
C'est le premier et jusqu'à présent le seul supercalculateur au monde qui fonctionne en mode échecs. Frontier est devenu leader il y a un an, mais n'a permis à personne d'empiéter sur sa position dans le classement de juin 2023. Et jusqu’à présent, début 2024, le supercalculateur américain est le plus productif au monde.
Mais les scientifiques suggèrent déjà qu'il devra peut-être, après un certain temps, admettre la supériorité d'une autre machine américaine : le supercalculateur Aurora.
Selon le dernier classement, le nouveau supercalculateur Aurora équipé de puces Intel Sapphire Rapids, fonctionnant au Argonne Leadership Computing Facility dans l'Illinois, aux États-Unis, se classe deuxième avec une performance HPL de 585,34 PFlops. Bien que cela ne représente que la moitié des performances du supercalculateur phare de Frontier, le système Aurora n'est pas encore terminé et seule la moitié du système final prévu est actuellement opérationnelle. Une fois terminé, les performances prévues d'Aurora dépasseront probablement 2 EFlops. Le supercalculateur Aurora, créé par Intel, est basé sur l'architecture HPE Cray EX - Intel Exascale Compute Blade, utilise les processeurs Intel Xeon CPU Max Series et les accélérateurs Intel Data Center GPU Max Series. Comme dans Frontier, le réseau HPE Slinghot-11 est responsable du transfert de données.
Le troisième superordinateur le plus efficace est un nouveau système basé sur le cloud appelé Eagle. Microsoft Azure aux États-Unis. Il s’agit en quelque sorte d’une curiosité technologique, car Eagle est un supercalculateur cloud et la troisième position du classement Top500 est la plus élevée jamais atteinte par un système cloud. Microsoft Eagle affiche des performances HPL de 561,2 PFlops, le cœur de calcul étant constitué de processeurs et d'accélérateurs Intel Xeon Platinum 8480C NVIDIA H100.
Il convient ici de mentionner le supercalculateur japonais Fugaku, dont les performances sont plus de trois fois inférieures à celles de Frontier, et l'un des supercalculateurs les plus productifs du passé - LUMI. Même si les Chinois sont encore en train de construire quelque chose de puissant, tout cela appartient au futur.
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Pourquoi avons-nous besoin d’autant de puissance de calcul ?
Vous pouvez admirer l'efficacité des machines les plus rapides au monde, mais les performances qu'elles atteignent ne consistent pas à battre des records, mais à obtenir les résultats de calcul souhaités dans les plus brefs délais. Aucun utilisateur de superordinateur n'utilise cette machine pour rédiger un e-mail ou préparer une présentation. Ce serait un terrible gaspillage d’utiliser de telles machines pour effectuer des tâches que nous pouvons effectuer sur les appareils de nos maisons. Après tout, le potentiel informatique des superordinateurs vous permet d’effectuer des actions qui ne sont pas disponibles sur les ordinateurs ordinaires.
De quelles tâches parle-t-on ? Tout d’abord, sur ceux qui peuvent apporter un réel bénéfice, et ce ne sont pas nécessairement ceux qui peuvent être immédiatement convertis en argent. Il convient de rappeler que seulement 600 millions de dollars environ ont été dépensés pour la création du supercalculateur Frontier. Bien entendu, les coûts d’utilisation et de maintenance continue sont également importants. Le supercalculateur occupe une superficie de 680 mètres carrés et consomme 21 MW d'électricité.
Frontier, comme d'autres supercalculateurs, est utilisé, entre autres, pour des tâches telles que la modélisation du climat, la recherche et la production de nouveaux médicaments vitaux pour l'humanité, la recherche de nouvelles technologies matérielles, etc. Bien entendu, l'étendue des tâches accomplies par ce type d'équipement est beaucoup plus large et comprend, par exemple, l'analyse d'énormes ensembles de données de divers types : images financières, médicales, satellites, modélisation de phénomènes physiques et bien d'autres. Le fait que Frontier soit le premier supercalculateur exascale lui permet d'effectuer des tâches qui seraient difficiles même sur d'autres supercalculateurs.
Un exemple peut être la modélisation de l'ensemble du cycle de vie d'un réacteur thermonucléaire. Oui, ce n'est pas une erreur. Il n'existe pas encore une seule centrale à fusion dans le monde, mais la puissante puissance de calcul exascale de Frontier permet de simuler le comportement d'un hypothétique réacteur à fusion et de prédire le comportement du plasma dans un tel réacteur. Bien sûr, jusqu'à ce que l'énergie thermonucléaire soit commercialisée, il est difficile d'en imaginer les avantages, mais personne au monde ne doute que la puissance de calcul qui contribuera à la création et au développement de l'énergie thermonucléaire et sauvera l'humanité entière de la pénurie d'énergie vaut la peine. investissement.
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Superordinateurs et médecine
L’une des applications des superordinateurs concerne les calculs complexes et énergivores liés à la structure des produits chimiques et des composés organiques. L’analyse minutieuse du comportement de substances individuelles, rendue possible grâce à la capacité de simuler le comportement d’un composé donné à un niveau très précis, est un outil qui permet le développement de nouveaux médicaments plus efficaces.
En 2020, avant le lancement du supercalculateur Frontier, les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge, qui possédait alors le supercalculateur Summit (cette machine était le supercalculateur le plus efficace en 2018, il est toujours utilisé et se classe au 7e rang avec une efficacité de 148,8 PFlops) l'ont utilisé pour développer un nouveau type de médicament contre le cancer. Le nouveau médicament s'est avéré environ 10 % meilleur et plus efficace en traitement que les moyens utilisés précédemment. Bien sûr, 10 %, ce n'est pas grand-chose, mais dites-le aux patients qui ont réussi à sauver leur vie grâce à cette « petite » différence. La vie humaine n’a bien sûr pas de prix, mais tout médicament plus efficace peut permettre au système de santé d’économiser d’énormes ressources et de réduire les coûts de traitement. C'est là que Frontier peut s'avérer utile. Ses capacités sont bien supérieures à celles du même supercalculateur Summit.
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Frontier et le nouveau modèle climatique
La modélisation climatique nécessite l'analyse et la justification du modèle de l'histoire millénaire de la Terre. Bien entendu, il s’agit d’une tâche qui nécessite une énorme quantité de ressources informatiques. Plus nous pouvons modéliser le changement climatique avec précision et prédire ce qui se passera à long terme, plus nous aurons besoin de superordinateurs rapides et puissants.
Mark Taylor des Sandia National Laboratories, l'un des chercheurs travaillant sur les premières prévisions climatiques à long terme au monde utilisant l'informatique progressive, a un jour fait remarquer : « L'architecture informatique unique du supercalculateur Frontier permet des choses que nous ne pouvions pas faire auparavant. » Autrement dit, la puissance de calcul de cette machine réduit un calcul qui prenait auparavant des années à quelques jours. Parallèlement, cela permet aux chercheurs d’obtenir des estimations détaillées des effets à long terme du changement climatique et des conditions météorologiques extrêmes. "C'est la nouvelle référence en matière de modélisation climatique", ajoute Taylor.
Quels sont les avantages? Ils sont tout simplement énormes. La capacité de prévoir des changements climatiques catastrophiques peut sauver des dizaines de milliers, voire des millions, de vies. Et l’analyse de l’impact probable du réchauffement climatique sur les cycles de l’eau mondiaux et régionaux nous permet de nous préparer à l’avance aux changements futurs. Des modèles spatiaux modernes existent, mais ils sont extrêmement exigeants en termes de calcul. Jusqu'à récemment, trop exigeant. Oui, ils nous permettent de prédire théoriquement l'interaction complexe entre les différents éléments qui composent ce que nous appelons la météo ou le climat, par exemple le mouvement convectif qui accompagne la formation des nuages, mais il faut là traiter un énorme flux d'informations. et faire des calculs d'une incroyable complexité.
La présence du supercalculateur Frontier a déjà changé la donne. Le projet Energy Exascale Earth System Model (E3SM) surmonte ces obstacles en combinant de nouvelles approches logicielles avec des performances exascale massives. Sarath Sripathy, co-auteur de l'étude et coordinateur du projet E3SM et co-auteur du modèle d'atmosphère E3SM appelé SCREAM, explique : "La communauté de la modélisation climatique rêve depuis longtemps d’exécuter des modèles à l’échelle kilométrique suffisamment rapidement pour faciliter des prévisions sur plusieurs décennies, et c’est désormais une réalité. ».
En d’autres termes, un tel projet sans Frontier échouerait tout simplement faute de volumes de traitement de données. Cependant, il convient de noter que non seulement la puissance de calcul de base est importante, mais également l'optimisation des modèles eux-mêmes. Peter Caldwell, climatologue au Lawrence Livermore National Laboratory, et son équipe ont passé les cinq dernières années à construire un nouveau modèle de nuages à partir de zéro. Il fonctionnera efficacement sur les processeurs graphiques (GPU), qui constituent aujourd’hui un élément très important de la puissance de calcul des supercalculateurs modernes. Une voiture haut de gamme intéressante dans sa catégorie peut également être incluse ici.
Imaginer. L'adaptation du code pour qu'il s'exécute sur des GPU a entraîné des gains de performances significatifs. SCREAM peut fonctionner sur 8192 1,25 nœuds Frontier pour simuler des formations nuageuses mondiales qui prenaient généralement plus d'un an (24 ans pour être exact) au cours d'une seule session informatique de 30 heures. Des simulations à long terme s’étalant sur 40 à XNUMX ans peuvent être réalisées à Frontier en quelques semaines. Les chercheurs notent qu'auparavant, il était presque impossible de faire de tels calculs. Les personnes souhaitant en savoir plus sur ces études peuvent se familiariser avec la nouvelle publication scientifique Mark Taylor et son équipe.
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Technologies de pointe et matériaux
Un projet intéressant qui tire parti du potentiel exascale du supercalculateur Frontier concerne les travaux dans le domaine de la technologie des matériaux. Il s’agit de l’une des plus grandes simulations informatiques jamais réalisées sur un alliage, qui, grâce à son efficacité informatique, a permis d’atteindre une précision proche du niveau quantique. Cette recherche, menée par Vikram Gavini de l'Université du Michigan, est innovante dans la mesure où elle utilise l'équation de Schrödinger pour modéliser le comportement de différents matériaux. L'énorme puissance de calcul de Frontier lui a permis de simuler un système d'alliage de magnésium composé de 75 000 atomes.
Les alliages de magnésium sont un matériau très intéressant. Il est très léger et en même temps solide. Cependant, les alliages de magnésium sont sensibles à certains défauts, principalement les luxations (c'est-à-dire des défauts massifs dans la structure cristalline du matériau), qui modifient radicalement leurs propriétés mécaniques. Cela transforme un matériau prometteur en un morceau de métal inutilisable, car il se fissure facilement, est fragile et instable. Les scientifiques, grâce à la puissance de calcul de Frontier, ont réussi à corriger certains de ces défauts dans les alliages de magnésium. Mais ce n’est que le début d’un travail acharné.
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L'avenir des supercalculateurs ?
Les ordinateurs conventionnels ne peuvent pas résoudre les défis que nous posent certains problèmes scientifiques et techniques. Les supercalculateurs ont une puissance de calcul bien plus grande, ce qui leur permet d'effectuer des calculs qui seraient impossibles ou prendraient trop de temps sur des ordinateurs ordinaires. En créant des superordinateurs, les scientifiques s'efforcent de repousser les limites de nos connaissances et de nos capacités, ainsi que de résoudre des problèmes qui peuvent avoir un impact réel et considérable sur notre avenir.
La loi de Moore stipule que la puissance des ordinateurs augmente de façon exponentielle. Tous les deux ans, la vitesse des calculs double, les ingénieurs et les scientifiques parviennent à trouver des solutions à des problèmes auparavant considérés comme impossibles.
Un jour, les supercalculateurs deviendront monnaie courante. Après tout, il y a seulement dix ans, des concepts tels que la réalité virtuelle, les jeux cloud et le métaunivers n'existaient que dans l'imagination de quelques experts en techno et geeks, et c'est aujourd'hui notre réalité. La génération future n’aura même pas besoin de suivre une formation en informatique ni de trouver un emploi chez Google pour profiter des supercalculateurs : ils feront discrètement et imperceptiblement partie de la vie quotidienne, au même titre que les smartphones, les ordinateurs portables et d’autres choses.
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