Le calcul intensif, outil indispensable à la simulation numérique, qui a pénétré tous les secteurs de la science, de la technologie et de l'industrie, fait l'objet d'une compétition mondiale très rude.
Cet article a été rédigé par Jean-François Desessard.
Glossaire :
[1] Pétaflops : unité de mesure de la puissance de calcul d'un supercalculateur, 1 pétaflops (1015 opérations par seconde) représente une capacité de calcul 100.000 fois plus grande que celle d'un ordinateur de bureau actuel
Stratégique, la simulation numérique par calcul intensif l'est depuis quelques années, que ce soit pour la défense mais plus généralement pour la recherche scientifique, technologique et industrielle. Cette prise de conscience générale de la nécessité d'en disposer ou d'y avoir accès a conduit de nombreux pays à s'équiper de machines de plus en plus puissantes. Aujourd'hui, les Etats-Unis, avec notamment l'Advanced Simulation and Computing Program, et le Japon, par le biais de son programme "Next Generation Super Computer", se livrent à une véritable compétition que résume le Top 500 dont le classement mondial change tous les six mois. De son côté, l'Europe, dans le cadre du projet PRACE, a pour objectif de mettre en place une grande infrastructure de calcul intensif à l'horizon 2010. Parfaite illustration de cette intense activité qui se déroule dans le domaine du calcul intensif, le mois de juin 2008 a été ponctué par différents évènements importants, dont l'International Supercomputing Conference 2008 (ISC08), du 17 au 20 juin, à Dresde, en Allemagne.
Modéliser la formation des structures de l'univers et comparer les modèles aux observations astronomiques avec un étonnant réalisme, c'est l'une des prouesses que sont capables de réaliser aujourd'hui les supercalculateurs dont la puissance ne cesse de croître.
Ainsi, en 2007, dans le cadre du projet Horizon, fruit d'une collaboration entre le CEA, le CNRS et les universités, des chercheurs utilisant les machines du Centre de calcul recherche et technologie (CCRT), implanté sur le centre DAM-Ile-de-France de la Direction des applications militaires du CEA, à Bruyères-le-Châtel, ont relevé un défi. En effet, avec près de 70 milliards de particules et plus de 140 milliards de mailles, ils ont réalisé un calcul qui représente le record absolu pour un système à n corps - c'est-à-dire un ensemble de points matériels ou de "particules" qui subissent leur attraction gravitationnelle mutuelle - modélisé par ordinateur. Dans l'histoire du calcul scientifique, c'est donc la première fois qu'il est possible de décrire la moitié de l'univers observable tout en couvrant une galaxie comme la Voie lactée avec plus d'une centaine de particules.
Avec la simulation numérique par le calcul intensif, qu'à permis l'arrivée, d'abord des calculateurs Cray, au cours des années 1970, puis le développement, dès la fin des années 1990, de calculateurs efficaces utilisant horizon la technologie du parallélisme massif, des prouesses de ce type sont de plus en plus accessibles. Outil essentiel de la recherche scientifique, technologique et industrielle, la simulation numérique conditionne désormais le progrès de nombreux domaines, des matériaux à la biologie, en passant par les sciences de la terre, l'énergie, la combustion, les nanotechnologies... Cette simulation numérique est également indispensable dans le cadre de problèmes dits "sociétaux", concernant plus particulièrement la santé et la sécurité.
Enfin, dans l'industrie, le cycle de conception de produits, comme l'automobile ou les avions, dépend directement à présent de la simulation numérique. Autrement dit, pour survivre économiquement dans un nombre de secteurs de plus en plus grands, il faut avoir recours à cet outil.
Une compétition entre américains et japonais
Aujourd'hui, la compétition autour de la puissance de calcul de ces machines se poursuit. Après avoir investi plus d'un milliard de dollars entre 1995 et 2000 dans le développement de ASCI (Accelerated Strategic Computing Initiative), un programme de simulation pour la défense du DOE (Department of Energy) qui a conduit à l'émergence des premières machines de démonstration en 2001, les Américains continuent leur effort dans ce domaine. Ainsi ont-ils lancé le programme ASC (Advanced Simulation and Computing) dont il existe un équivalent dans le domaine civil.
Précisons que cette démarche est facilitée par le fait qu'aux Etats-Unis, c'est le DOE qui a en charge et pilote cette informatique de grande puissance, à la fois pour la défense et le civil. Aujourd'hui, les Etats-Unis consacrent chaque année 300 millions de dollars à la R&D concernant le calcul intensif, et plus d'un milliard de dollars à l'achat de prototypes ou de machines de tête de série, qui plus est sans passer par des appels d'offres. Rappelons que l'objectif outre-Atlantique est d'atteindre le pétaflops [1] d'ici la fin l'année.
De leur côté, les Japonais ont surpris le monde entier, en volant la vedette aux Américains, avec la mise en service en 2002 par NEC de l'Earth Simulator qui, avec sa puissance de 35,86 téraflops [2], allait rester le plus puissant ordinateur du monde jusqu'en 2005. Après s'être accordé une courte pause, ils ont annoncé courant 2006 le lancement d'un nouveau grand projet. Baptisé "Next Generation Super Computer" (NGSC), celui-ci, mené par le très réputé Riken Center, a pour objectif de fabriquer l'ordinateur le plus performant du monde, d'une puissance de 10 pétaflops, à l'horizon 2011.
Quant aux Chinois, après être apparus ces dernières années dans le Top 500, ils poursuivent une stratégie d'achats de machines, avec pour objectif de parvenir rapidement à la maîtrise des technologies de ces supercalculateurs.
Il reste que la domination des Etats-Unis dans ce domaine est écrasante. Ainsi, en 2006, ce pays possédait plus de 60% des supercalculateurs et un pourcentage identique de la performance totale. Si l'on ajoute que le calcul intensif est de moins en moins réservé au secteur public, la part du secteur industriel ne cessant de croître avec près de 50% en 2006, contre 20% il y a quinze ans, la situation est sans aucun doute préoccupante.
La France, fer de lance en Europe
A cette même date, c'est-à-dire au lendemain de cette prise de conscience générale que la simulation numérique est un outil stratégique, l'Europe possède environ 20% de la puissance des supercalculateurs installés dans le monde. Rappelons que seule la France mène depuis la fin des années 1990 un programme de simulation pour la Défense. Celui-ci a abouti à l'installation, fin 2001, de TERA-1, une machine dont la puissance était de 5 téraflops, puis à la mise en service opérationnelle, cinq ans plus tard, de TERA-10, le supercalculateur, alors le plus puissant d'Europe avec ses 60 téraflops. Première machine à être conçue par un constructeur européen, Bull, celle-ci occupe en juin 2006 la cinquième place du Top 500. Pour autant, six mois plus tard, lors de l'annonce du Top 500 de novembre 2006, TERA-10 a déjà perdu deux places. C'est dire si la concurrence est particulièrement rude au niveau mondial.
Publié à cette époque, un rapport, réalisé par M. Héon et E. Sartorius, à l'initiative de François Fillon, alors ministre de l'Enseignement supérieur et de la Recherche, constate le retard gigantesque pris par la France, et plus encore par l'Europe, dans le domaine du calcul intensif. Celui-ci souligne en particulier que la recherche dans ce secteur est répartie entre trois acteurs publics, le CEA qui dispose du CCRT, le CNRS qui possède l'Idris, le Cines étant à la disposition des universités. Ce rapport indique également une absence de coordination entre ces différents organismes et des investissements pas assez importants. Aussi préconise-t-il de doubler ces derniers sous réserve que soit mise en place une structure qui coordonne le tout entre les trois centres. Autre proposition faite dans ce rapport : la création d'un comité stratégique auprès du ministre de l'Enseignement supérieur et de la Recherche dont le rôle serait de définir la politique de la France en matière de calcul intensif.
Résultat : la création de Genci (grand équipement national de calcul intensif), en janvier 2007, dont les principales missions sont, d'une part de mettre en place et d'assurer la coordination des principaux équipements des grands centres nationaux civils dont elle est propriétaire et se charge du financement, d'autre part de promouvoir l'organisation d'un espace européen du calcul intensif et de participer à ses réalisations. Genci regroupe l'ensemble des investissements du CEA, du CNRS et des universités, soit 12,5 millions d'euros par an auxquels il faut ajouter une somme d'un montant identique versée par le ministère de l'Enseignement supérieur et de la Recherche. En outre, le comité stratégique, dont le rapport Héon-Sartorius avait préconisé la création est installé officiellement en septembre 2007. Il se compose de quinze membres sous la présidence d'Olivier Pironneau de l'Académie des Sciences.
15 Pays européens engagés dans le projet Prace
Outre-Rhin, les Allemands adoptent dans le même temps une démarche similaire à celle des Français, avec la création d'une structure homologue de Genci. Plus globalement, l'Europe, elle aussi, à pris conscience de l'importance grandissante de la simulation numérique. Preuve en est qu'une nouvelle ligne budgétaire intitulée "calcul intensif" est apparue lors du lancement du 7e PCRD. Par conséquent, il est impératif de mettre en place de grandes infrastructures qui, en l'occurrence, sont les grands centres de calcul. Ainsi depuis le 1er janvier dernier a été lancé le projet Prace (Partnership for Advanced Computing in Europe) dont le but est de préparer le déploiement en Europe, à partir de 2010, d'une infrastructure de calcul intensif de classe mondiale composée de centres équipés de supercalculateurs d'une puissance supérieure ou égale au pétaflops, qui plus est évoluant pour rester en permanence dans le Top 5 mondial. Autrement dit, l'idée défendue par l'Europe est de disposer de trois à cinq centres de calcul intensif qui, par rotation, permettrait d'en classer au moins un par an parmi les cinq premiers du Top 500.
Aujourd'hui, quinze pays européens se sont lancés dans cette aventure. Les "partenaires principaux", au nombre de cinq (France, Allemagne, Angleterre, Espagne, Hollande) se sont engagés à verser tous les ans 25 millions d'euros chacun. A ce titre, chacun d'eux peut prétendre accueillir un des centres de calcul et assurer la gouvernance de l'ensemble du système. Les dix autres pays, qualifiés de "partenaires normaux", devront verser quant à eux 5 millions d'euros par an chacun. D'ores et déjà, le CEA et le CNRS, via le centre commun Jacques Louis Lions qu'ils ont créé récemment, ont déposé officiellement un dossier de candidature auprès de Genci.
Nécessaire permanence d'une R&D de haut niveau
Certes, la prise de conscience générale était nécessaire. Aujourd'hui, tout le monde a parfaitement compris que le calcul intensif est stratégique pour l'équilibre de l'économie et de la société. Reste alors une question qui brûle toutes les lèvres : ne doit-on pas impérativement posséder la maîtrise technologique d'un sujet aussi stratégique ? Dans l'affirmative, comment va-t-on devoir procéder pour réussir à maintenir en permanence le haut niveau de R&D nécessaire, d'autant plus que le tissu industriel nécessaire à la construction de ces machines est quasi inexistant en Europe ? "L'échec des différents plans calcul dans les années 1990 au sein de tous les pays européens a conduit notamment à la disparition sur ce marché de Siemens en Allemagne et de Philips aux Pays-Bas, Bull étant le seul à avoir survécu", rappelle Jean Gonnord, chef de projet simulation numérique et informatique au CEA / DAM.
Les supercalculateurs sont le plus souvent fabriqués à perte. Pour un industriel, il n'y a donc pas de rentabilité directe à attendre. Quant aux retombées technologiques, elles ne sont jamais immédiates. "Il existe donc un sérieux problème de financement de la R&D de ce top niveau de l'informatique. Aussi est-il très urgent de se pencher sur la question" insiste-t-il. Car tous les programmes qui viennent d'être mis en place avaient pour seul but de parer au plus pressé afin de pouvoir "fournir du flop" à ceux qui en ont un besoin pressant. Cette nécessaire maîtrise des technologies, les spécialistes ont commencé à en discuter en France, notamment dans le cadre du pôle de compétitivité francilien System@tic et de certains des projets qu'il labellise. "Il faut désormais poser la question au niveau de l'Europe. Et ce que nous allons défendre, c'est la mise en place d'un très grand laboratoire, fruit d'un partenariat public privé, qui prendrait en charge cette R&D de très haut niveau", conclut Jean Gonnord.
