TechnoScope Imbatby satw
Supercalculateurs Rapides, toujours plus rapides
table en calcul rapide
Avec les supercalculateurs, c’est un peu comme avec les superhéros : les ordinateurs normaux ne peuvent pas plus rivaliser avec eux que le commun des mortels avec Superman et cie. Leur puissance de calcul dépasse presque l’imagination : « Frontier », le système de calcul à haute performance aujourd’hui le plus rapide, parvient à réaliser 1,1 trillion d’opérations par seconde. Un trillion, c’est un 1 suivi de 18 zéros.
www.satw.ch/technoscope
Un sacré FLOP ! Les FLOPS (Floating Point Operations Per Second pour opérations à virgule flottante par seconde) servent à mesurer la rapidité d’un supercalculateur en indiquant le nombre de calculs qui peuvent être exécutés en une seconde. Et ces systèmes sont toujours plus puissants : Cray-1, le premier supercalculateur installé aux États-Unis dans le centre de recherche Los Alamos en 1976, atteignait 160 mégaflops (160 millions d’opérations). Trente ans plus tard, la barre du téraflops* venait d’être franchie (un téraflops représente un trillion d’opérations par seconde). En 2008, on parvenait au pétaflops (un billiard d’opérations par seconde) ; l’année passée « Frontier », un supercalculateur états-unien, a propulsé le monde entier à l’ère de l’exaflops. Et la course à la puissance de calcul est loin d’être terminée, car détenir les supercalculateurs les plus rapides revient à avoir une longueur d’avance en matière de recherche et d’innovation. Pour l’heure, ils se trouvent aux États-Unis, en Chine et au Japon.
Date de péremption
La notion de supercalculateur est apparue dans les années 1960. À l’époque, le gouvernement américain notamment souhaitait développer pour la recherche militaire des ordinateurs plus puissants que tout ce qui existait sur le marché. Même les ordinateurs centraux, dont l’atout est de pouvoir traiter efficacement des volumes de données gigantesques (raison pour laquelle les banques en raffolent), ne peuvent pas se mesurer à eux pour ce qui est de la puissance de calcul.
Voies séparées
En schématisant, on peut dire qu’un supercalculateur se compose de plusieurs ordinateurs regroupés pour ne constituer qu’un seul système. Contrairement à un ordinateur classique doté d’un seul processeur principal (également appelé microprocesseur central ou CPU), un supercalculateur en possède des dizaines de milliers. Ils forment des nœuds de calcul qui collaborent afin de résoudre un problème donné. Le développement d’un tel supercalculateur, conçu pour être ultra-performant est un processus complexe et coûteux qui dure plusieurs années. On ne le programme pas non plus de la même manière qu’un ordinateur « classique », cela demande des compétences particulières.
Les supercalculateurs ont une espérance de vie moyenne de quatre ans. On parvient à les maintenir à niveau pendant un certain temps, mais arrive le moment où leur puissance de calcul ne peut plus rivaliser avec celle des nouvelles générations et où ils partent à la retraite. Comme le Cray X-MP/28 de l’ETH Zurich : véritable miracle de la technique dans les années 1980, il est désormais relégué dans un couloir de la haute école et fait office de banc. Il est inutilisable. N’importe quel smartphone est au moins cent fois plus performant aujourd’hui.
Plus que la somme de ses parties
Ordinateurs quantiques : le futur de la puissance de calcul et de la sécurité.
Pourquoi les ordinateurs quantiques pourraient-ils casser n’importe quelle clé de chiffrement ? Technoscope : Les ordinateurs quantiques existent-ils vraiment aujourd’hui ?
Nanosphère à l’horizon Il existe des problèmes d’une telle complexité que même les supercalculateurs échouent. Et pourtant, la prochaine révolution technologique est déjà en marche, à savoir l’ordinateur quantique. Il exploite les lois singulières du monde subatomique, celui des particules et de l’infiniment petit. Ces lois n’ont guère de sens dans notre quotidien. Pour nous, un objet est là ou il ne l’est pas. Dans l’univers quantique en revanche, les particules peuvent être simultanément ici et à de nombreux autres endroits, ou bien posséder plusieurs états contraires en même temps. Ce principe dépasse notre imagination.
Pour un ordinateur « normal », le monde est binaire et donc composé exclusivement de zéros et de uns. Il traduit toutes les informations en bits. Un bit ne peut avoir que deux états : 1 (signal électrique) et 0 (absence de signal électrique). Les ordinateurs quantiques eux utilisent des Qbits (bits quantiques) qui, comme les microparticules, peuvent adopter simultanément la valeur 1 et 0. Ainsi qu’un nombre infini d’états entre ces deux valeurs. C’est pourquoi l’ordinateur quantique peut (théoriquement) exécuter simultanément une quantité époustouflante d’opérations que les supercalculateurs devraient traiter les unes après les autres. Physicien à l’institut de recherche IBM à Rüschlikon, Rolf Allenspach nous explique ce que cela signifie :
Rolf Allenspach: Pour le moment, les tout premiers ordinateurs quantiques n’existent que dans des laboratoires de recherche et ils produisent encore beaucoup d’erreurs. Mais dès qu’un ordinateur quantique sera véritablement en mesure de fonctionner correctement, la plupart des méthodes de cryptographie utilisées aujourd’hui ne seront plus fiables. C’est aussi la raison pour laquelle la recherche tout comme les militaires s’y intéressent tant. Toutefois, dans le laboratoire de recherche IBM, nous avons déjà développé et standardisé des algorithmes de chiffrement qui ont résisté à un ordinateur quantique.
« À l’inverse, un ordinateur quantique peut examiner toutes les possibilités simultanément et trouver en quelques secondes, ce pour quoi les ordinateurs classiques mettraient des milliers d’années. »
Les technologies de chiffrement sont basées sur la décomposition de grands nombres en nombres premiers. Un procédé très complexe. Un ordinateur classique, ou même un supercalculateur, a besoin d’énormément de temps pour calculer toutes les variantes. À l’inverse, un ordinateur quantique peut examiner toutes les possibilités simultanément et trouver en quelques secondes, ce pour quoi un ordinateur habituel mettrait des milliers d’années. Il n’est pas plus rapide en soi, mais il aborde le problème d’une manière totalement différente. À quoi d’autre l’ordinateur quantique peut-il servir ?
Comme il fonctionne selon les lois du monde quantique, il sera capable de calculer beaucoup plus précisément les propriétés de systèmes provenant aussi d’un univers nanoscopique. Par exemple, des structures moléculaires élaborées ou des réactions chimiques complexes. Il pourrait accélérer la découverte de nouveaux médicaments et de nouvelles substances, ou bien le développement de nouveaux matériaux. Enfin, il détient une nette supériorité dans la résolution de problèmes d’optimisation avec de nombreuses variables, lorsqu’il faut trouver la meilleure option parmi une multitude de possibilités. Le prochain supercalculateur sera donc quantique ?
Non, l’ordinateur quantique n’est pas un supercalculateur et il n’a pas non plus vocation à le remplacer. Ils se complèteront. Et ce tandem formera un duo de choc.
Les humains vontils bientôt être inutiles face à ces super-cerveaux ? Kilo (103), méga (106) et même giga (109), voilà des unités de mesure qui restent encore assez familières. Mais, si on dit téra (1012), péta (1015), exa (1018), zetta (1021) ou yotta (1024), il s’agit alors de chiffres tellement gigantesques qu’il devient difficile de se les représenter. Le dernier record chiffré en exaflops est proprement impressionnant puisque, en face, les ordinateurs habituels, qui dépassent rarement le gigaflops, sont donc plus d’un milliard de fois moins puissants. Pour comprendre ce que représente un exaflops, utilisons une comparaison qui donne le vertige : on estime l’âge de l’univers à environ 1018 secondes. Si la tâche d’une personne avait été de réaliser une opération toutes les secondes depuis le big bang, un supercalculateur y serait parvenu, lui, en l’espace d’une seule et unique seconde. Mais tout n’est pas uniquement question de rapidité. En effet, il existe un calculateur doté d’une efficacité énergétique remarquable et qu’aucune machine, aussi puissante et rapide soit-elle, n’a encore réussi à égaler les performances : notre cerveau. Près de 1000 milliards de neurones y sont connectés dans un espace
extrêmement dense pour y former un réseau que beaucoup considèrent comme l’une des structures les plus complexes de l’univers. La façon dont ces cellules traitent et échangent des informations, dont elles apprennent, se souviennent ou se regroupent et se spécialisent, la manière dont elles perçoivent l’environnement grâce à la vue, au toucher et à l’ouïe restent encore mal comprises par la science. Mais la recherche s’y emploie. Personne n’est encore parvenu à reproduire intégralement le cerveau humain dans un ordinateur, certes. Toutefois, les applications de l’intelligence artificielle, toujours plus nombreuses, imitent l’apprentissage humain et améliorent ainsi leur capacité à résoudre certains problèmes de manière autonome.
La boule de cristal de la science
Les supercalculateurs sont capables de traiter des masses de données et d’exécuter des opérations à une vitesse très rapide. Cette puissance de calcul gigantesque peut contribuer à résoudre les questions scientifiques les plus complexes de la planète. Là où les théories touchent à leurs limites, ou encore que les expériences ne sont pas réalisables, ils calculent les évolutions et les variantes possibles à partir d’un nombre infini de données. Que se passerait-il si… ? Quel impact aurait telle ou telle variante ? Quelle est la probabilité qu’un processus donné évolue de telle manière ou de telle autre ? Quelles sont les conditions à réunir pour obtenir tel résultat ?
Supercalculateurs
Découvrir la diversité des métiers techniques, prendre confiance en ses choix!
Rapides, toujours plus rapides
Swiss TecLadies est le programme national d’encouragement de l’Académie Suisse des Sciences Techniques. Il se compose d’un programme de mentorat pour les jeunes filles* âgées de 12 à 18 ans et du Swiss TecLadies Network, son organisation d’alumnae. Plus d’infos et possibilités d’inscription sur tecladies.ch
À l’aide de simulations réalisées par des supercalculateurs Modéliser les effets du changement climatique
Pour simuler les mécanismes atmosphériques, la recherche météorologique et climatologique a recours aux supercalculateurs. Grâce à eux, les prévisions de conditions météorologiques sont plus précises et ils permettent de mieux comprendre les phénomènes climatiques ainsi que les effets du réchauffement de la planète.
Explorer l’univers depuis la Terre Reproduire une supernova en laboratoire est impossible. Mais, à l’aide de simulations numériques, les scientifiques pourront peut-être décrypter l’origine de l’univers.
Combattre des maladies et développer Dans le cadre de la lutte contre le coronavirus, les supercalculateurs ont permis de simuler des scénarios de propagation. Ils ont modélisé le virus avec précision, vérifié l’efficacité des médicaments existants et sont intervenus dans le développement des vaccins contre le coronavirus.
Mettre au point des matériaux plus durables
Un supercalculateur permet de tester les propriétés de nouveaux matériaux avant même qu’ils n’aient été transposés dans la réalité.
La Suisse, petite mais au top Que cela signifie-t-il ?
La Suisse détient elle aussi des supercalculateurs ultramodernes. Ils se trouvent dans le Centro Svizzero di Calcolo Scientifico (CSCS), inauguré en 1991 au Tessin. Situé à Lugano-Cornaredo et exploité par l’ETH Zurich, le Centre suisse de calcul scientifique est à la disposition de toutes les hautes écoles et de tous les centres de recherche du pays. Jusqu’à maintenant la véritable superstar du CSCS, le « Piz Daint » évolue sur l’échelle du pétaflops et a longtemps été le seul ordinateur en Europe parmi les dix premiers mondiaux. Mais il a fait son temps et sera remplacé cette année par « Alps », un système doté d’une puissance de calcul jusqu’à dix fois supérieure. Non seulement très puissant, ce calculateur haute performance constituera aussi le cœur d’une nouvelle infrastructure de recherche, totalement innovante, comme l’explique Maria Grazia Giuffreda, vice-directrice du CSCS.
Technoscope: Que va changer le passage à « Alps » ?
Maria Grazia Giuffreda : Jusqu’à maintenant au CSCS, nous opérions différents systèmes informatiques pour différents besoins. Par exemple, MeteoSuisse avait accès à un ordinateur dédié pour ses prévisions météorologiques. La nouvelle infrastructure est beaucoup plus flexible et permet de mettre simultanément à la disposition de différents utilisateurs les services spécifiques dont ils ont besoin. En outre, elle est également spécialisée pour l’apprentissage automatique.
« La recherche climatique suisse excelle, elle est d’ailleurs bien positionnée sur la scène internationale. »
L’apprentissage automatique, qu’on appelle également intelligence artificielle, consiste à se servir d’un grand nombre de données pour entraîner un ordinateur à reconnaître certains schémas et certaines corrélations, par exemple ce qui différencie un petit chien avec des yeux ronds tout noirs d’un muffin aux myrtilles. Il peut ensuite appliquer ces règles de manière autonome à des données complètement différentes et même s’améliorer : il a appris à identifier un chien. Quelles sont les applications de l’apprentissage automatique ?
Lors du développement d’« Alps », nous avions tout particulièrement le climat en tête. La recherche climatique suisse excelle, elle est d’ailleurs bien positionnée sur la scène internationale. Mais pour véritablement comprendre les effets du changement climatique et générer les connaissances dont le monde a besoin pour faire face à la crise du climat, elle doit pouvoir établir des simulations beaucoup plus précises. Cela nécessite d’une part une puissance de calcul toujours grande. Et d’autre part, une infrastructure qui soit précisément en mesure de traiter et d’analyser des quantités de données gigantesques. Pour chaque simulation, les volumes de données dont on parle sont de l’ordre du pétaoctet par jour.
?
!
orientation.ch Corinne Giroud, Office cantonal d’orientation scolaire et professionnelle – Vaud
Passionné par l’intelligence artificielle, j’ai entendu parler du nouveau supercalculateur ALPS et de ses incroyables performances. Quels sont les métiers qui me permettraient de travailler dans ce domaine? Jason, 17 ans
Bonjour Jason, L’informatique et la rapidité de son évolution donnent le vertige. Quand on sait que les supercalculateurs sont déjà « vieux » au bout de 4 ans de service, la relève est indispensable pour pouvoir suivre le rythme ! Dans ce domaine qui accélère la connaissance du monde, mieux vaut aimer les maths et la physique et avoir l’esprit d’innovation. Modéliser, analyser, simuler Modéliser des systèmes naturels (par exemple le climat) ou humains (par exemple une épidémie) à grande échelle, analyser et valoriser à haute vitesse d’énormes quantités de données grâce à l’intelligence artificielle, simuler des développements de systèmes complexes… Tels sont les superpouvoirs des supercalculateurs. Ces ordinateurs les plus rapides du monde accélèrent les phases de tests, par exemple de médicaments ou de matériaux innovants. Ils offrent un appui à la recherche scientifique et la recherche appliquée dans l’industrie.
Les supercalculateurs exigent les compétences scientifiques de physiciens / physiciennes, de mathématiciens / mathématiciennes, d’informaticiens / informaticiennes ou d’ingénieur·e·s en Data science. L’exploitation et la valorisation des data est du ressort des astrophysiciens / astrophysiciennes, des climatologues, des chimistes, des biologistes, des ingénieur·e·s en sciences de la vie, des ingénieur·e·s en science des matériaux. Les économistes, les sociologues, les médecins pourront également en tirer parti pour analyser les systèmes humains. Ces métiers s’apprennent par des études universitaires ou polytechniques. Les supercalculateurs consomment énormément d’électricité. Y réfléchir est le défi des ingénieur·e·s en énergie, par exemple.
L’ordinateur le plus rapide du monde en chiffres
Po S it hu u r e du u é a m xé to m o u l a a in cu b ut n d e te r es de ora e t le s la l e m o t pl s e r é a ir e n an ê m co li s èt e n n d e 1 at i o er na es 00 l d . éa o mb Fro li s ’ O 0 nt i e u re d a er 0 0 k Ri n ’op e st ca 0 0 dge p lu lcu érat au sr l p ion 0 ap 0 0 x Ét a ar s ide s e , il f t qu s 0 c o n au d el 0 0 U ni es de ra s Fro , sep , p it 00 Fro nt i t e n qu au er 0 0 nt i e r da e c rem tre nt h a ss p lit dé 0 u 4 a qu e pe d’o tie 74 r n c al n s êt pé arm t cu re . ra le d o ir l at tio es e e r ns ur s et n ier c ha le s cun re p lu co ed sp rd ’en ui s tre E ll e s an e ll e s so ts nt sp C ’es du è se t e n r e li é e s To v ir o e a n ut a p5 tre e n la nt 00 ll e s di s t q par anc u ’ co un e qu 1 4 mb pic 5 i sép in é k-u a r e k il o m è p s. B e rn Pour é t . viter q e de res de c âb ue les W inject i nt e l p u ce e nt r t ho e s r é se refroid plus de 22 s de Front au . ur. ie issem 000 lit r ne surc e nt . h auf f res d’e en au p a r minu t , 350 po mp e s te dan s le sy s tè m e de
Impressum SATW Technoscope 01/24 | www.satw.ch/technoscope Conception et rédaction : Ester Elices | Collaboration rédactionnelle : Christine D’Anna-Huber | Graphisme : Andy Braun | Images : Adobe Stock, iStock (piranka) | Photo de couverture : Adobe Stock | Traduction et relecture : weiss traductions | Impression : Egger AG Abonnement gratuit et commandes d’anciens numéros SATW | St. Annagasse 18 | CH-8001 Zurich | technoscope@satw.ch | Tél +41 44 226 50 11 Le prochain Technoscope paraîtra en avril sur le thème « Les technologies au service de l’humanité ».
N’hésitez pas à commander gratuitement quelques exemplaires ou un kit pédagogique pour votre classe. Faites-nous parvenir votre demande à l’adresse technoscope@satw.ch. Retrouvez tous les numéros Technoscope sur satw.ch/technoscope.