Le Top 10 des supercalculateurs scientifiques


J’ai fait tilt devant la brève insérée en haut de la page ‘Actualités – Fondamental’ du n°791 de la revue Sciences et Avenir daté de Janvier 2013. Voici reproduite ci-dessous cette information que j’ai envie de partager avec vous afin de mieux comprendre ce qu’elle concerne.

super calc

Les questions que l’on est en droit de se poser à cette lecture sont plutôt nombreuses. Voici quelques-unes des plus immédiates :

1 – Qu’est-ce qu’un pétaflop ?

2 – Qu’appelle-t-on exactement un supercalculateur ?

3 – À quoi servent les supercalculateurs ?

4 – Quels  sont les leaders dans ce domaine ?

5 – Quelle place la France  occupe-t-elle ?

Et bien entendu, je vais partager avec vous les réponses à ces questions.

1 – Le Flops est une unité de vitesse de calcul scientifique effectué par un ordinateur

FLOPS est un acronyme anglais pour « FLoating point Operations Per Second », soit en français « Opérations à virgule flottante par seconde ». La vitesse de calcul d’un ordinateur s’exprime donc en FLOPS, c’est-à-dire en nombre d’opérations élémentaires (des additions, des multiplications) effectuées par seconde sur des nombres réels (n’importe quel nombre tel que 3, 2.707,  mais aussi  √2 ou π) représentés dans la machine selon un mode dit ‘en virgule flottante’.

À ce stade, vous avez déjà compris que je viens d’ouvrir une véritable boîte de Pandore.  Ce premier élément de réponse pose plus de questions qu’il n’en résout. Par exemple:

1.1 – C’est une définition du FLOPS, mais le PETAFLOPS ?

1.2 – Qu’est-ce exactement qu’un nombre en virgule flottante ?

Et je m’en tiendrai là, car on pourrait continuer. Par exemple, on pourrait se demander comment on peut mesurer cette vitesse de calcul ? Continuons donc avec la seule liste actuelle !

1.1  – Le pétaFlops est un multiple du Flops.

Et un multiple gigantesque, car naturellement, une vitesse de une opération par seconde, c’est vraiment une grandeur infiniment petite pour un ordinateur. Elle est même si petite que les multiples habituels qui vous sont familiers, Kilo, Méga, Giga, et même Téra, sont insuffisants. Il faut aller plus loin dans la course vers l’infiniment grand.

Voici dans le tableau ci-dessous les unités qui ont été définies:

(Source: Wikipedia)
(Source: Wikipedia)

Un pétaFlops, c’est donc un million (puissance 6 de 10) de milliards (puissance 9 de 10) d’opérations par secondes !

1.2  – Les nombres représentés en virgule flottante

Les nombres à virgule flottante sont les nombres les plus souvent utilisés dans un ordinateur pour représenter des valeurs non entières. Ce sont des approximations de nombres réels. Au départ, tous les ordinateurs ne comprennent que la numérotation binaire, uniquement composée de 0 et de 1. Dans un tel système binaire, on définit des mots (groupements de bits 0 ou 1) de 32 bits (mots dits en simple précision) ou de 64 bits (mots dits en double précision).

L’idée de la virgule flottante est que cette virgule peut être placée n’importe où dans un nombre donné, afin d’offrir l’étendue de nombres représentés la plus grande possible, avec des mots binaire d’un format donné (16, 32, 64 bits).

Les nombres en virgule flottante sont définis de la manière suivante:  un signe S, une mantisse M représentant les chiffres composant le nombre, et une puissance E de 2 qui sera variable pour fixer la position de la virgule.

Avec des mots de 32 bits (4 bytes de 8 bits), la représentation des nombres dans l’ordinateur sera organisée de la manière suivante, de gauche à droite:

1 bit pour le signe S, 8 bits pour l’exposant E, 23 bits pour la mantisse M

Sans entrer dans les détails, disons qu’une telle méthode d’encodage permet, moyennant quelques astuces concernant la normalisation de la mantisse, de couvrir l’étendue des nombres de : – 1.175… E-38   à  +3.401…E+38 (ces extrema étant ici en notation scientifique).

2 – Les supercalculateurs

Un supercalculateur (ou superordinateur) est un ordinateur conçu pour atteindre les plus hautes performances possibles,  en particulier en termes de vitesse de calcul.

Les premiers superordinateurs sont apparus aux USA dans les années 1960, conçus par Seymour Cray pour le compte de la société Control Data Corporation (CDC), premier constructeur mondial de superordinateurs jusque dans les années 1970. Cray Research, fondée par Seymour Cray après son départ de CDC, prit alors l’avantage sur CDC et ses autres concurrents jusqu’en 1990. Le Cray-2 atteignait ainsi une vitesse de calcul de 2,4 GigaFlops en 1986.

Puis les japonais de Fujitsu et de Hitachi prirent le dessus avec les machines  Fujitsu VPP500 (170 GigaFlops en 1994) et Hitachi SR2 (368 GigaFlops en 1996).

La technologie américaine retrouva sa suprématie en 2000 avec l’IBM Power3 (5 TeraFlops) pour finalement passer le mur du PetaFlops en 2008 avec l’IBM PowerXCell (1,04 PetaFlops).

Et c’est aujourd’hui Cray Research avec la machine Titan,  qui prend la tête de cette course à la vitesse de calcul, avec ce nouveau record de 17,6 PétaFlops réalisé au Laboratoire National d’Oak Ridge.

À titre de comparaison, les ordinateurs personnels de 2012 peuvent disposer d’une puissance de calcul de l’ordre d’environ 100 GigaFlops, soit un million de fois plus faible que le Titan de Cray. Mais cette puissance de votre PC dernière génération est quand même comparable à celle des supercalculateurs de 1993.

3 – À quoi servent ces supercalculateurs ?

Les superordinateurs sont utilisés pour toutes les tâches qui nécessitent une très forte puissance de calcul comme les prévisions météorologiques, l’étude du climat, la modélisation moléculaire (calcul des structures et propriétés de composés chimique, les simulations physiques (simulations aérodynamiques, calculs de résistance des matériaux, simulation d’explosion d’arme nucléaire, étude de la fusion nucléaire), etc.

Pour mieux apprécier les enjeux, avec un supercalculateur atteignant la vitesse du PétaFlops, la modélisation d’une chambre de combustion de moteur d’avion dure une vingtaine de jours de calcul. Avec le plus gros des ordinateurs personnels classiques, ce calcul prendrait de l’ordre de 500 ans.

Les institutions de recherche civiles et militaires comptent parmi les plus gros utilisateurs de superordinateurs.

En France, on trouve ces machines dans les centres nationaux de calculs du CNRS et de l’enseignement supérieur, tels que l’IDRIS (Institut du Développement et des Ressources en Informatique Scientifique) et le  CINES (Centre Informatique National de l’Enseignement Supérieur), ou au CEA.

4 – Quels sont les leaders mondiaux ?

On vient de voir qu’après avoir été l’inventeur du concept, et le premier constructeur industriel dans les décennies 1970-90, la firme Cray Research (USA) vient de reconquérir la suprématie avec la machine Titan, à l’architecture hybride alliant 18 688 processeurs AMD Opteron à 18688 accélérateurs GPU Nvidia. Titan affiche une puissance de calcul de 17,6 PetaFlops, pouvant atteindre jusqu’à 27 PetaFlops, en pointe. Le prix de ces performances est une superficie occupée de 400 mètres carrés, une puissance électrique installée de 8,2 MW, et un coût de 97 millions de dollars.

Le classement international Top500 confirme cette suprématie américaine actuelle, puisque parmi les cinq premières places figurent cinq machines américaines, dont les deux premières du classement.

top 5 nv

À noter qu’une machine chinoise (Tianhe -1A – NUDT YH MPP, National Supercomputing Center à Tianjin) pointe à la huitième place de ce Top500, en affichant une vitesse de calcul de 2, 6 PetaFlops.

5 – Quelle est la place de la France ?

Dans le Top500 actualisé en juin 2012 (et non pas celui qui vient d’être dévoilé), Curie, la première machine française, occupait la 11ème place, avec une puissance de 1,36  PétaFlops. Deux autres machines, Turing et Ada, de puissances comparables et de conçeption IBM vont venir renforcer le parc français de supercalculateurs à partir de janvier 2013.

Les deux nouvelles machines rejoignent l’IDRIS, l’Institut du développement et des ressources en informatique scientifique du CNRS, l’un des trois piliers du calcul intensif en France avec le centre du CEA, qui héberge notamment le supercalculateur Curie, et le CINES de Montpellier (Centre informatique national de l’enseignement supérieur).

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8 commentaires

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