Alors que les besoins en puissance de calcul sont de plus en plus importants, le Japon a perdu, ces dernières années, son leadership sur le marché des supercalculateurs. Pour retrouver le haut de l'affiche, des recherches et des projets sont menés tous azimuts.
Cet article a été préparé par Nathalie Mayer à partir du rapport "Supercalculateurs au Japon" réalisé par Serge Petiton (université des sciences et technologies de Lille), Christophe Calvin (CEA), Franck Cappello (Inria), Michel Dayde (CNRS - Irit), Thierry N'Kaoua (CEA), Brigitte Plateau (INPG) et Marie-Madelaine Rohmer (CNRS - Strasbourg), et coordonné par le service pour la Science et la Technologie de l'Ambassade de France au Japon, que nous remercions pour leur collaboration.
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Focus :
Un designer nommé Riken
Riken, Institute of Physical and Chemical Research, est installé sur plusieurs campus japonais et regroupe pas moins de 3.000 chercheurs. Son Centre pour le calcul et les communications, basé à Tokyo, fournit aux chercheurs toutes les ressources "calcul" nécessaires. Il abrite notamment, depuis janvier 2006, le centre de R&D pour la prochaine génération de supercalculateur NSC (Next-Generation Supercomputer R&D Center) chargé plus spécifiquement de la conception et de la construction du supercalculateur le plus puissant du monde.
Nec, le géant japonais de l'informatique et de la télécommunication
Fondée en 1899, la société NEC (Nippon Electronic Corporation) est aujourd'hui implantée sur les cinq continents et possède en son sein l'ensemble des briques technologiques indispensables à la construction de supercalculateurs : micro-électronique, processeurs, réseaux, environnement logiciel, etc. Les plus puissantes des machines NEC sont des superordinateurs vectoriels de la série SX. Le dernier d'entre eux, le SX8-R vient d'ailleurs d'être installé au centre de calcul de Météo France.
Aujourd'hui, la principale ambition de la société est de continuer d'offrir une puissance de calcul optimale pour un encombrement minimum. La participation de NEC au projet Keisoku en tant que coconcepteur aura certainement un impact en la matière sur les prochaines machines de la société à l'image de la révolution technologique amenée par Earth Simulator (importante densification des cartes).
Glossaire :
[1] Flops (floating-point operations per second), ou "opérations à virgule flottante par seconde" : mesure servant à évaluer la vitesse des microprocesseurs ; 1 mégaflops = 106 flops ; 1 gigaflops = 109 flops ; 1 téraflops = 1012 flops ; 1 pétaflops = 1015 flops.
[2] Cluster informatique : ensemble de machines homogènes et localisées, organisées en grappe.
[3] Grille informatique : infrastructure virtuelle (matérielle et logicielle) composée d'un ensemble de ressources potentiellement partagées, distribuées, hétérogènes, coordonnées, délocalisées et autonomes.
[4] Intergiciel : logiciel servant d'intermédiaire permettant à plusieurs applications, généralement complexes, de communiquer.
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Pour reconquérir sa suprématie mondiale en matière de capacité de calcul haute performance, le Japon a lancé un projet baptisé KeiSoku. Objectif : proposer une machine d'une puissance de l'ordre de 10 pétaflops d'ici 2012. Et quelle que soit l'architecture finalement retenue, le Gouvernement japonais a choisi l'option d'une solution 100% nippone. Parallèlement à ce programme phare, des travaux se poursuivent autours des clusters et des grilles et un certain nombre de projets, non moins ambitieux, devraient aboutir à court terme proposant des machines pouvant atteindre plusieurs centaines de téraflops. A l'origine de chacun de ces programmes, des besoins scientifiques clairement identifiés.
Au XXIe siècle, les besoins de calculs exprimés par les chercheurs sont devenus énormes de par la nécessité de réaliser des simulations de plus en plus complexes. Et dans le même temps, il y a quelques mois, le ministère de la Recherche japonais (MEXT) faisait un constat sans concession : la position des machines japonaises dans le Top 100 des supercalculateurs est sur le chemin savonneux du déclin. Pour reprendre son leadership en matière de haute puissance de calcul, le MEXT a donc décidé de financer, à hauteur de 800 millions d'euros, un projet ambitieux de supercalculateur, le projet Keisoku Kei-ki piloté par RIKEN (voir "Un designer nommé Riken" ci-contre). Ce dernier sera par ailleurs 100% nippon. Les processeurs eux-mêmes, qu'ils soient vectoriels ou scalaires, devraient en effet être produits au pays du soleil levant.
Sept centres de calcul universitaires, des laboratoires publics (AIST, RIKEN, KEK) et plusieurs industriels (NEC, etc.) se sont ainsi engagés à développer, d'ici 2012, une machine capable d'atteindre les 10 pétaflops [1]. Pour aboutir, des recherches sont menées aussi bien sur le logiciel que sur le matériel. Car, équipée de PC classiques, une machine d'une telle puissance consommerait 100 MW. Les solutions architecturales s'orientent donc plutôt vers des systèmes parallèles avec des noeuds de calcul puissants, des composants à basse consommation, des interconnexions avec de la fibre optique et des accélérateurs de calcul spécialisés (clearspeed, GRAPE, etc.). De quoi, espèrent les concepteurs, diviser par dix la consommation du calculateur.
Vingt et un programmes d'application ont d'ores et déjà été identifiés comme de bons candidats à l'évaluation de l'architecture retenue. Parmi eux, de complexes simulations du vivant (cellule complète puis organe et enfin corps dans son ensemble) et quelques applications en nanosciences comme des calculs de dynamique moléculaire.
Earth simulator
Au Japon, on trouve déjà le vingtième ordinateur le plus puissant du monde (TOP 500 - juin 2007), une machine baptisée Earth Simulator car principalement utilisée dans les domaines de la simulation météorologique et sismique.
En service depuis fin 2001, elle a été construite par la société NEC (Nippon Electronic Corporation ; voir "Nec, le géant japonais de l'informatique et de la télécommunication" ci-contre) à Yokohama et peut atteindre les 40 téraflops. Earth Simulator est composé de 640 noeuds vectoriels, avec une mémoire globale de 10 térabits et de 2,5 pétabits de stockage. Chaque noeud est composé de 8 processeurs de 8 gigaflops. La grande puissance de calcul offerte par une telle machine permet de simuler de manière plus précise et plus réaliste des situations aussi complexes que celles rencontrées dans les domaines de la climatologie, des nanotechnologies ou encore de l'ingénierie automobile.
Mais, avec le lancement du projet Keisoku, Earth Simulator est condamné dans les années à venir à ne plus être le centre de calcul phare du Japon, voir à tomber en désuétude. Une situation que les responsables de la société NEC espèrent éviter en encourageant la construction d'une machine de puissance équivalente à la leur et basée sur une technologie différente (clusters [2] de processeurs scalaires par exemple). De quoi ouvrir la porte à la modélisation multiéchelles.
Une machine hybride performante
Le Department of Mathematical and Computing Sciences du Tokyo Institute of Technology (TiTech) de son côté a conçu et dispose aujourd'hui du supercalculateur le plus puissant du Japon (TOP 500 - juin 2007), la machine hybride Tsubame ("hirondelle" en japonais). Il s'agit là de la seule machine hybride figurant dans le Top 15, et plus exactement à la quatorzième place, grâce à une performance de 47 téraflops. Lancée en avril 2006, Tsubame possède 10 480 processeurs Opteron Dual-Core, 21,4 téraoctets de mémoire et un pétaoctet de stockage. Ce qui en fait un calculateur hybride, ce sont les 360 accélérateurs vectoriels "clearspeed" représentant une puissance supplémentaire de 35 téraflops en crête. Un réseau "gourmant" (fat tree) à deux étages interconnecte des noeuds de 86 processeurs multicores à faible consommation. L'ensemble nécessite plus de 80 racks et se répartit sur une surface de plus de 350 m2. Dans le futur, il est envisagé d'y associer un noeud vectoriel NEC SX8 de taille modeste par un réseau de 10 gigaoctets. Enfin, la consommation électrique résultant de l'exploitation de la machine, incluant la climatisation, atteint régulièrement 1,2 MW. D'un point de vue pratique, il faut aussi souligner que la programmation de Tsubame est assez délicate car elle nécessite d'optimiser les calculs pour les processeurs hôtes et pour les accélérateurs. D'autre part, seuls certains noeuds sont pour l'heure équipés d'accélérateurs. Et, contrairement à d'autres programmes et notamment au projet Keisoku, Tsubame utilise des composants et matériels venant largement de l'étranger (Etats-Unis, Europe et Israël).
La politique du TiTech étant clairement à l'ouverture vers la jeunesse, l'institut a lancé un programme baptisé "superordinateur pour tous". Ce dernier rend les machines du TiTech, parmi lesquelles Tsubame, accessibles aux étudiants. Un concours consistant à résoudre au mieux un problème sur un supercalculateur est par ailleurs proposé chaque année aux lycéens. En 2006, de nombreux jeunes japonais ont ainsi pu s'essayer à Tsubame.
Une foule d'autres projets
L'un des plus grands organismes de recherche publique du Japon, l'Advanced Industrial Science and Technology (AIST), par l'intermédiaire principalement de son laboratoire Information Technology, est tout particulièrement impliqué dans les recherches concernant les grilles [3] avec des orientations industrielles comme la commercialisation de ressources et l'utility computing. Principaux objectifs : ajouter des fonctions intelligentes et économiser l'énergie sur les matériels électroniques usuels et déployer des infrastructures à haut débit, sécurisées et disponibles. Ainsi, les recherches portent sur les systèmes d'information à haut débit et à haute capacité de traitement et de stockage (disques optiques haute densité, infrastructures de grille, etc.), la sécurité et la confiance, les "intelligence boosters" et les applications du traitement avancé de l'information.
Fondé en 1992, le Center for Computational Science (CCS) de l'université de Tsukuba étudie et réalise de son côté des calculateurs spécifiquement optimisés pour des applications dans les domaines de l'astrophysique, des matériaux, des sciences de la vie, de la biologie et de l'environnement. La machine massivement parallèle CP-PACS (0,61 téraflops), mise en service en 1996, sert de ce fait essentiellement à la physique des particules. Le nouveau projet PACS-CS vise à développer une machine massivement parallèle, haute densité et munie d'un réseau rapide, comptant 2 560 noeuds, atteignant 14,3 téraflops et intégrant des processeurs faible consommation. Une fois encore, ce supercalculateur sera spécialement destiné à des applications de physique des particules mais aussi à des simulations de physique des matériaux et d'étude de la genèse de l'Univers. Le CCS est aussi impliqué dans le développement d'autres systèmes. Le projet FIRST est par exemple un cluster de très grande taille avec une architecture hybride pour les noeuds de calcul. Le projet T2K d'"open supercomputer", mené en collaboration avec les universités de Tokyo et de Kyoto, vise à construire des clusters HPC pour le calcul intensif sans cibler d'application spécifique avec une puissance de plus de 100 gigaflops. Le premier prototype devrait être opérationnel en mars 2008.
Le National Institute of Informatics (NII) quant à lui est un peu au Japon ce que l'Inria est à la France, à savoir l'institution académique chargée de la recherche en informatique. Créé en 2000, il collabore avec les universités japonaises. Ses objectifs sont d'abord de promouvoir la recherche et la formation dans le domaine de l'informatique mais aussi de promouvoir la "Cyber Science Infrastructure" (CSI). Cette dernière vise à mettre à la disposition des utilisateurs un environnement convivial lui donnant un accès transparent aux ressources dont il a besoin (supercalculteurs, BD, etc.). La mise en place de cette CSI passe par le déploiement d'un intergiciel [4] de grille couplant les diverses organisations virtuelles. Le développement d'un tel intergiciel fait l'objet d'études poussées au coeur du projet NAREGI (National REsearch Grid Initiative). Les recherches menées sont de deux ordres : le développement d'un intergiciel de grille au sein du NII et les études expérimentales menées dans le domaine des nano-applications à l'Institut de science moléculaire en coopération avec l'industrie, des universités et des organismes de recherche publique. Le projet NAREGI a été lancé en 2003 à l'initiative du MEXT. Depuis la mise en place du programme Keisoku, NAREGI développe aussi l'infrastructure de grille qui permettra d'exploiter une telle ressource au travers d'une grille nationale.
Le département d'informatique de l'université de Tokyo enfin, développe un projet de conception d'un "chip" pour le calcul à haute performance, le projet GRAPE-DR. La puissance de cette machine sera de 512 gigaflops et pourra théoriquement monter à 2 pétaflops. Avantages mis en avant : la basse consommation (8,5 gigaflops par watt) et le bas prix annoncé. Mais pour l'heure, le projet peine à trouver des partenaires industriels. Toujours à l'université de Tokyo, c'est l'Information Technology Center qui a lancé le projet T2K d'"open supercomputer" qui fournit des ressources de calcul à toutes les universités du Japon. L'ambition pour 2008 est de remplacer les équipements en place par des "commodity hardwares" c'est-à-dire des PC clusters (80 téraflops à Tsukuba, 150 téraflops à Tokyo et 66 téraflops à Kyoto). Ceux-ci pourront être utilisés au plan national et participeraient au projet Keisoku.
