Superordinateur
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Unsuperordinateurousupercalculateurest unordinateurconçu pour atteindre les plus hautes performances possibles avec les techniques connues lors de sa conception, en particulier en ce qui concerne lavitesse de calcul.Pour des raisons de performance, c'est presque toujours unordinateur central,dont les tâches sont fournies entraitement par lots.
La science des superordinateurs est appelée « calcul haute performance » (enanglais:high-performance computingou HPC). Cette discipline se divise en deux: la partiematérielle(conceptionélectroniquede l'outil de calcul) et la partielogicielle(adaptation logicielle du calcul à l'outil). Ces deux parties font appel à des champs de connaissances différents.
Historique
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Les premiers superordinateurs (ou supercalculateurs) apparaissent dans lesannées 1960. En 1961,IBMdéveloppe, à l’instigation duLawrence Livermore Laboratory[2],l’IBM Stretchou IBM 7030, dont une unité est exploitée en France[3]en 1963.
À cette époque, et jusque dans lesannées 1970,le plus important constructeur mondial de superordinateurs est la sociétéControl Data Corporation(CDC), avec son concepteurSeymour Cray[4].Par la suite,Cray Research,fondée par Seymour Cray après son départ de CDC, prend l’avantage sur ses autres concurrents, jusqu’aux alentours de l'année 1990. Dans lesannées 1980,à l’image de ce qui s’était produit sur le marché desmicro-ordinateursdes années 1970, de nombreuses petites sociétés se lancèrent sur ce marché, mais la plupart disparaissent dans le «crash» du marché des superordinateurs[5],au milieu desannées 1990.
Ce que désigne le termesuperordinateurvarie avec le temps car, comme le suggère laLoi de Moore,lesordinateursles plus puissants du monde à un moment donné tendent à être égalés, puis dépassés, par des machines d’utilisation courante plusieurs années après. Les premiers superordinateurs CDC étaient de simples ordinateurs mono-processeurs(mais possédant parfois jusqu’à dix processeurs périphériques pour lesentrées-sorties) environ dix fois plus rapides que la concurrence. Dans les années 1970, la plupart des superordinateurs adoptent unprocesseur vectoriel,qui effectue le décodage d’uneinstructionune seule fois pour l’appliquer à toute une série d’opérandes.
C’est seulement vers la fin des années 1980 que la technique des systèmes massivementparallèlesest adoptée, avec l’utilisation dans un même superordinateur de milliers de processeurs. Depuis le milieu des années 1990, certains de ces superordinateurs parallèles utilisent desmicroprocesseursde type «RISC», conçus pour des ordinateurs de série, comme lesPowerPC[6]ou lesPA-RISC.D’autres supercalculateurs utilisent des processeurs de moindre coût, de type «CISC», microprogrammés en RISC dans lapuce électronique(AMDouIntel): le rendement en est un peu moins élevé, mais le canal d’accès à lamémoire— souvent ungoulet d’étranglement— est bien moins sollicité.
AuXXIesiècle,les superordinateurs sont le plus souvent conçus comme des modèles uniques par desconstructeurs informatiques« traditionnels » commeInternational Business Machines(IBM),Hewlett-Packard(HP), ouBull,qu’ils aient derrière eux une longue tradition en la matière (IBM) ou qu’ils aient racheté dans les années 1990 des entreprises spécialisées, alors en difficulté, pour acquérir de l’expérience dans ce domaine.
Utilisation
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Les superordinateurs sont utilisés pour toutes les tâches qui nécessitent une très fortepuissance de calcul[7],comme lesprévisions météorologiques,l’étude du climat(à ce sujet, voir les programmes financés par leG8-HORCs), lamodélisationd'objets chimiques (calcul de structures et de propriétés,modélisation moléculaire,etc.), les simulations physiques (simulationsaérodynamiques,calculs derésistance des matériaux,simulation d'explosiond'arme nucléaire,étude de lafusion nucléaire,etc.), lacryptanalyseou les simulations enfinanceet enassurance(calcul stochastique).
Les institutions derechercheciviles et militaires comptent parmi les plus gros utilisateurs de superordinateurs.
EnFrance,on trouve ces machines dans les centres nationaux de calculs universitaires, tels que l'Institut du développement et des ressources en informatique scientifique(IDRIS), leCentre informatique national de l'enseignement supérieur(CINES), mais aussi auCommissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives(CEA), dans certaines grandes entreprises, commeTotal,EDF,Météo-France[8]ou encore à laDirection générale de la Sécurité extérieure(DGSE) pour ses besoins encryptanalyse.
Conception
[modifier|modifier le code]Composants et architecture
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Les superordinateurs tirent leur supériorité sur lesordinateursconventionnels à la fois grâce à:
- leurarchitecture,en «pipeline» (exécution d’uneinstructionidentique sur une longue série de données) ouparallèle(nombre très élevé deprocesseursfonctionnant chacun sur une partie du calcul), qui leur permet d’exécuter plusieurs tâches simultanément;
- descomposants électroniquesrapides (structure de typeserveurs lameutilisant desprocesseursmulti-cœurou descartes graphiquesdédiées au calcul scientifique de dernière génération, de lamémoire viveet des équipements destockage de masse—disque dur— reliés à lafibre optiqueen grande quantité,etc.) associés à unsystème d'exploitationdédié (commeLinux,majoritairement utilisé actuellement[9]).
Ils sont presque toujours conçus spécifiquement pour un certain type de tâches (le plus souvent descalculs numériquesscientifiques:calcul matricielouvectoriel) et ne cherchent pas de performance particulière dans d'autres domaines.
L’architecturemémorielledes supercalculateurs est étudiée pour fournir en continu lesdonnéesà chaque processeur afin d’exploiter au maximum sapuissance de calcul.Les performances supérieures de la mémoire (meilleurs composants et meilleure architecture) expliquent pour une large part l’avantage des superordinateurs sur les ordinateurs classiques.
Leur système d’entrée/sortie(bus) est conçu pour fournir une largebande passante,lalatenceétant moins importante puisque ce type d’ordinateur n’est pas conçu pour traiter destransactions.
Comme pour tout système parallèle, laloi d’Amdahls’applique, les concepteurs de superordinateurs consacrant une partie de leurs efforts à éliminer les parties non parallélisables dulogicielet à développer des améliorations matérielles pour supprimer lesgoulots d'étranglementrestants.
Principaux obstacles techniques
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D'une part, les superordinateurs ont souvent besoin de plusieursmégawattsdepuissance électrique.Cettealimentationdoit aussi être de qualité. En conséquence, ils produisent une grande quantité dechaleuret doivent donc être refroidis pour fonctionner normalement. Le refroidissement (par exempleà air) de ces ordinateurs pose souvent un problème important declimatisation.
D'autre part, lesdonnéesne peuvent circuler plus vite que lavitesse de la lumièreentre deux parties d'unordinateur.Lorsque la taille d’un superordinateur dépasse plusieurs mètres, letemps de latenceentre certains composants se compte en dizaines denanosecondes.Les éléments sont donc disposés pour limiter la longueur descâblesqui relient les composants. Sur leCray-1ou le Cray-II,par exemple, ils étaient disposés encercle.
De nos jours, ces ordinateurs sont capables de traiter et de communiquer de très importants volumes de données en très peu de temps. La conception doit assurer que ces données puissent être lues, transférées et stockées rapidement. Dans le cas contraire, la puissance de calcul desprocesseursserait sous-exploitée (goulot d’étranglement).
Historique des records
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Top 20 des supercalculateurs dans le monde en. -
Tableau de la vitesse de calcul (Rmax) du top des superordinateurs;échelle logarithmiquesur 60 ans. -
Distribution par pays des supercalculateurs dutop 500en.
Historique des records en France
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En,l'Institut de Physique du Globe de Paris(IPGP) opère un ordinateurCM-5/128qui utilise des processeursSuperSPARC,il est classé25eauTOP500[22].Trois ans plus tard, en,l'Institut du développement et des ressources en informatique scientifique(IDRIS) parvient à atteindre la12eplace mondiale avec leT3Econstruit parCray[23].
À la mi-,le plus puissant des supercalculateursfrançaisse classe4eau TOP500, c'est leTERAbasé sur des processeursAlphaà1GHz(AlphaServer SC45) et développé parHewlett-Packard[24];il appartenait auCommissariat à l'énergie atomique(CEA). En,leTERA-10deBulllui succède, il génère unepuissance de calculde 60téraFLOPSet se placera au5erang mondial du TOP500[25].
En,l'IDRIS et sonBlue Gene/P Solutiond'IBMaffiche, selon le testLINPACK,une puissance de 120 téraflops et remporte la10eplace[26].
En,la première machine française a pour nomJade.De type «SGIAltix(en)» elle est basée auCentre informatique national de l'enseignement supérieur(CINES) deMontpellier.Ce supercalculateur se classe au28erang mondial avec 128 téraflops au test LINPACK. Peu après, la configuration de la machineJadeest complétée pour atteindre une performance de 237 téraflops. La machine passe enau18erang du TOP500[27].C’est alors le troisième système informatiqueeuropéenet le premier français, il est destiné à larecherche publique.
En,le record français est détenu par leTERA-100deBull.Installé auCEAàBruyères-le-Châtelpour les besoins de lasimulation militaire nucléaire française,avec une performance de 1 050 téraflops, cette machine se hisse au6erang mondial et gagne le1errang européen[28].Elle est constituée de 17 296 processeursIntel Xeon7500 dotés chacun de huit cœurs et connectés par un réseau de typeInfiniBand.
En,Curie,un système conçu par Bull pour leGENCI,installé sur le site duTrès Grand Centre de Calcul(TGCC) à Bruyères-le-Châtel, dispose d'une puissance de 1,359 pétaflops[29].Il sera le supercalculateur le plus puissant de France en prenant la9eplace du classement mondial[30].Il est conçu pour délivrer 2 pétaflops.
En,les systèmesAda et Turingconstruits par IBM sont installés à l'IDRIS d'Orsay.La somme de leur puissance dépasse le pétaflops. Ces deux machines sont à la disposition des chercheurs. Enmars 2013,le supercalculateurPangea[31]détenu par la sociétéTotalest inauguré, il devient le système le plus performant jamais installé en France. Sa puissance de calcul s'élève à 2,3 pétaflops. Équivalant à 27 000 ordinateurs de bureau réunis, il obtient la11eplace mondiale[32].
En,le systèmeOccigen,conçu par Bull,Atostechnologies, pour le GENCI est installé sur le site du CINES; il est doté d'une puissance de 2,1 pétaflops. Il se situait en26eposition au classement mondial du TOP500 de[33].
En,Totalannonce avoir triplé la capacité de calcul de son supercalculateurPangea,passant à une puissance de calculs de 6,7 pétaflops en pics de performance et de 5,28 pétaflops en puissance utilisable. Cela lui permet de retrouver le11erang au TOP500[32]et le place ainsi en tête du secteur industriel mondial[34].
En,le GENCI met en serviceAdastra,un superordinateur fourni parHPE-Crayhébergé au CINES. Ses 46,10 pétaflops lui permettent de gagner le10erang mondial en matière de performances de calcul[35].
Systèmes d'exploitation pour superordinateurs
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L'essor des supercalculateurs a vuLinuxdevenir lesystème d'exploitationéquipant la majorité des500 supercalculateurs les plus puissantsde la planète[9],[36],Unixperdant progressivement du terrain face à Linux, mais occupant pendant un temps une place de choix sur le marché des supercalculateurs (5 %).[réf.souhaitée]
Windowsne fut exécuté que par deux des 500 supercalculateurs les plus puissants de la planète, soit 0,4 %[9],tandis queBSDn'était présent que sur une seule machine dutop500,soit 0,2 %. Enfin, les autres configurations («Mixed», soit un ensemble de plusieurs types de systèmes d'exploitation) représentaient 4,6 %.[réf.souhaitée]
En,Linux équipe la totalité des 500 superordinateurs les plus puissants au monde[37].
Calculateur quantique
[modifier|modifier le code]Supercalculateurs et jeux de réflexion
[modifier|modifier le code]Notes et références
[modifier|modifier le code]- «IBM Blue gene announcement», surIBM.com,(consulté le).
- (en)C.J. Bashe et al,IBM's Early Computers,MIT Press,,744p.(ISBN0262022257)
- Albert Amouyal, Phlippe Chatelin et Pierre-E. Mounier-Kuhn (dir.),Deuxième Colloque sur l'Histoire de l'Informatique en France,vol.1, Paris, Conservatoire National des Arts et Métiers,,366+368 + 21pl.(ISBN2-9502887-3-1),« Les débuts de l'informatique au Commissariat à l'Energie Atomique (1952-1972) »,p.11-28.
- (en)Charles Murray,The Supermen: The Story of Seymour Cray and the Technical Wizards Behind the Supercomputer,New York, John Wiley and Sons,,232p.(ISBN0-471-04885-2).
- Virginie Robert, «L'américain Cray Computer acculé au dépôt de bilan»,Les Echos,
- (en)B. Burgess et M. Alexander et al.,Proceedings of COMPCON '94,San Francisco, IEEE(ISBN0-8186-5380-9,DOI10.1109/CMPCON.1994.282895),« The PowerPC603 microprocessor: a high performance, low power, superscalar RISC microprocessor ».
- (en)SergeiKurgalinet SergeiBorzunov,«A Practical Approach to High-Performance Computing»,SpringerLink,(DOI10.1007/978-3-030-27558-7,lire en ligne,consulté le)
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- (en)Les supercalculateurs les plus puissants de la planète et leur système d’exploitation,surtop500.org.
- (en)USDA National Nutrient Database for Standard Reference,surnal.usda.gov.
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- TOP500 List - June 2012 (1-100)surtop500.org.
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- (en-US)George Dvorsky, «The World’s Most Powerful Supercomputer Is an Absolute Beast»,Gizmodo,(lire en ligne)
- (en-US)Elijah Wolfson, «The US just retook the title of world's fastest supercomputer from China»,Quartz,(lire en ligne)
- (en-US)«IBM and the Department of Energy show off world’s fastest supercomputer, Summit»,Digital Trends,(lire en ligne,consulté le)
- «Fujitsu présente le 415-PFLOPS: l'ordinateur le plus puissant du monde», surSiècle Digital,.
- «Le Japon lance le superordinateur le plus puissant au monde pour lutter contre le Covid-19», surLes Echos,.
- «Le supercalculateur Frontier subit des défaillances quotidiennement», surTom's hardware(consulté le)
- [1],Jacques Cheminat,Le Monde informatique.fr,30 mai 2022.
- «CM-5/128», surtop500.org(consulté le).
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- (en)Tera-100 Classement Top500 novembre 2010surtop500.org.
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- (en)«Occigen - bullx DLC, Xeon E5-2690v3 12C 2.6GHz, Infiniband FDR»,surTOP500.org(consulté le 4 avril 2016).
- «Total triple la puissance de son supercalculateur Pangea - Le Monde Informatique», surLeMondeInformatique(consulté le).
- «Classement du supercalculateur Adastra dans le Top 500: « l'ESR peut être fier de cet excellent résultat dans le domaine du HPC »», surFrance Universités(consulté le)
- Top 500 de juin 2012,surlinuxfr.org.
- (en)Steven J. Vaughan-Nichols, «Linux totally dominates supercomputers», surZDNet.com,
Annexes
[modifier|modifier le code]Bibliographie
[modifier|modifier le code]- Georges Karadimas (Snecma), « Les superordinateurs dans le secteur aérospatial français », dansNouvelle revue Aéronautique et Astronautique,no2,(ISSN1247-5793).
Articles connexes
[modifier|modifier le code]- Supercalculateur exaflopique
- Accélération matérielle/FLOPS
- Belle,Deep BlueetHydra,des supercalculateurs spécialisés pour lejeu d'échecs
- BOINC- puissance de calcul distribuée sur des ordinateurs personnels:cf.le projet de l'université de Berkeley.
- EFF DES cracker
- GENCI
- Green 500
- Grille de calcul
- InfiniBand
- GPU
- Projet cerveau humain
- RIKEN MDGRAPE-3
- Seymour Cray
- TER@TEC- Pôle européen de compétence en simulation numérique haute performance.
- TOP500:les 500 premiers superordinateurs au monde
- Musée de l'histoire de l'ordinateur
- Liste d'ordinateurs de fiction
Liens externes
[modifier|modifier le code]- Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes:
- Site HPCducommissariat à l'énergie atomique(CEA)
- Site officielducentre informatique national de l'enseignement supérieur(CINES)
- Site officielde l'institut du développement et des ressources en informatique scientifique(IDRIS)
