Superordinateur

Un superordinateur ou supercalculateur est un ordinateur conçu pour atteindre les plus hautes performances possibles avec les techniques connues lors de sa conception, en particulier en ce qui concerne la vitesse de calcul. Pour des raisons de performance, c'est presque toujours un ordinateur central, dont les tâches sont fournies en traitement par lots.

La science des superordinateurs est appelée « calcul haute performance » ( ou HPC). Cette discipline se divise en deux : la partie matérielle (conception électronique de l'outil de calcul) et la partie logicielle (adaptation logicielle du calcul à l'outil). Ces deux parties font appel à des champs de connaissances différents.

Historique 

Les premiers superordinateurs (ou supercalculateurs) apparaissent dans les années 1960.
En 1961, IBM développe l'IBM Stretch ou IBM 7030, dont une unité est exploitée en France en 1963.

À cette époque, et jusque dans les années 1970, le plus important constructeur mondial de superordinateurs est la société  (CDC), avec son concepteur Seymour Cray. Par la suite, , fondée par Seymour Cray après son départ de CDC, prend l’avantage sur ses autres concurrents, jusqu’aux alentours de l'année 1990. Dans les années 1980, à l’image de ce qui s’était produit sur le marché des micro-ordinateurs des années 1970, de nombreuses petites sociétés se lancèrent sur ce marché, mais la plupart disparaissent dans le «  » du marché des superordinateurs, au milieu des années 1990.

Ce que désigne le terme superordinateur varie avec le temps, car les ordinateurs les 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 les entrées-sorties) environ dix fois plus rapides que la concurrence. Dans les années 1970, la plupart des superordinateurs adoptent un processeur vectoriel, qui effectue le décodage d’une instruction une 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 massivement parallèles est adoptée, avec l’utilisation dans un même superordinateur de milliers de processeurs. De nos jours, certains de ces superordinateurs parallèles utilisent des microprocesseurs de type « RISC », conçus pour des ordinateurs de série, comme les PowerPC ou les PA-RISC. D’autres supercalculateurs utilisent des processeurs de moindre coût, de type « CISC », microprogrammés en RISC dans la puce électronique (AMD ou Intel) : le rendement en est un peu moins élevé, mais le canal d’accès à la mémoire — souvent un goulet d’étranglement — est bien moins sollicité.

Au , les superordinateurs sont le plus souvent conçus comme des modèles uniques par des constructeurs informatiques « traditionnels » comme International Business Machines (IBM), Hewlett-Packard (HP), ou Bull, 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 

Les superordinateurs sont utilisés pour toutes les tâches qui nécessitent une très forte puissance de calcul, comme les prévisions météorologiques, l’étude du climat (à ce sujet, voir les programmes financés par le G8-HORCs), la modélisation d'objets chimiques (calcul de structures et de propriétés, modélisation moléculaire), les simulations physiques (simulations aérodynamiques, calculs de résistance des matériaux, simulation d'explosion d'arme nucléaire, étude de la fusion nucléaire), la cryptanalyse ou les simulations en finance et en assurance (calcul stochastique).

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 universitaires, tels que l'Institut du développement et des ressources en informatique scientifique (IDRIS), le Centre informatique national de l'enseignement supérieur (CINES), mais aussi au Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) ou dans certaines grandes entreprises, comme Total, EDF ou encore Météo-France.

Conception

Composants et architecture 

Les superordinateurs tirent leur supériorité sur les ordinateurs conventionnels à la fois grâce à :
 leur architecture, en «  » (exécution d’une instruction identique sur une longue série de données) ou parallèle (nombre très élevé de processeurs fonctionnant chacun sur une partie du calcul), qui leur permet d’exécuter plusieurs tâches simultanément ;
 des composants électroniques rapides (structure de type serveurs lame utilisant des processeurs multi-cœur ou des cartes graphiques dédiées au calcul scientifique de dernière génération, de la mémoire vive et des équipements de stockage de masse — disque dur — reliés à la fibre optique en grande quantité) associés à un système d'exploitation dédié (comme Linux, majoritairement utilisé actuellement).

Ils sont presque toujours conçus spécifiquement pour un certain type de tâches (le plus souvent des calculs numériques scientifiques : calcul matriciel ou vectoriel) et ne cherchent pas de performance particulière dans d'autres domaines.

L’architecture mémorielle des supercalculateurs est étudiée pour fournir en continu les données à chaque processeur afin d’exploiter au maximum sa puissance 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 large bande passante, la latence étant moins importante puisque ce type d’ordinateur n’est pas conçu pour traiter des transactions.

Comme pour tout système parallèle, la loi d’Amdahl s’applique, les concepteurs de superordinateurs consacrant une partie de leurs efforts à éliminer les parties non parallélisables du logiciel et à développer des améliorations matérielles pour supprimer les goulots d'étranglement restants.

Principaux obstacles techniques 

D'une part, les superordinateurs ont souvent besoin de plusieurs mégawatts de puissance électrique. Cette alimentation doit aussi être de qualité. En conséquence, ils produisent une grande quantité de chaleur et doivent donc être refroidis pour fonctionner normalement. Le refroidissement (par exemple à air) de ces ordinateurs pose souvent un problème important de climatisation.

D'autre part, les données ne peuvent circuler plus vite que la vitesse de la lumière entre deux parties d'un ordinateur. Lorsque la taille d’un superordinateur dépasse plusieurs mètres, le temps de latence entre certains composants se compte en dizaines de nanosecondes. Les éléments sont donc disposés pour limiter la longueur des câbles qui relient les composants. Sur le Cray-1 ou le Cray-, par exemple, ils étaient disposés en cercle.

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 des processeurs serait sous-exploitée (goulot d’étranglement).

Historique des records

Historique des records en France 

En , l'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) opère un ordinateur CM-5/128 qui utilise des processeurs SuperSPARC, il est classé  au TOP500. Trois ans plus tard, en , l'Institut du développement et des ressources en informatique scientifique (IDRIS) parvient à atteindre la  mondiale avec le T3E construit par Cray.

À la mi-, le plus puissant des supercalculateurs français se classe  au TOP500, c'est le TERA basé sur des processeurs Alpha à  (AlphaServer SC45) et développé par Hewlett-Packard ; il appartenait au Commissariat à l'énergie atomique (CEA). En , le TERA-10 de Bull lui succède, il génère une puissance de calcul de  et se placera au  mondial du TOP500.

En , l'IDRIS et son Blue Gene/P Solution d'IBM affiche, selon le test LINPACK, une puissance de  et remporte la .

En , la première machine française a pour nom Jade. De type « SGI  » elle est basée au Centre informatique national de l'enseignement supérieur (CINES) de Montpellier. Ce supercalculateur se classe au  mondial avec  au test LINPACK. Peu après, la configuration de la machine Jade est complétée pour atteindre une performance de . La machine passe en  au  du TOP500. C’est alors le troisième système informatique européen et le premier français, il est destiné à la recherche publique.

En , le record français est détenu par le TERA-100 de Bull. Installé au  à Bruyères-le-Châtel pour les besoins de la simulation militaire nucléaire française, avec une performance de , cette machine se hisse au  mondial et gagne le  européen. Elle est constituée de  Intel Xeon 7500 dotés chacun de huit cœurs et connectés par un réseau de type InfiniBand.

En , Curie, un système conçu par Bull pour le GENCI, installé sur le site du Très Grand Centre de Calcul (TGCC) à Bruyères-le-Châtel, dispose d'une puissance de . Il sera le supercalculateur le plus puissant de France en prenant la  du classement mondial. Il est conçu pour délivrer .

En , les systèmes Ada et Turing construits 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. En mars 2013, le supercalculateur Pangea détenu par la société Total est inauguré, il devient le système le plus performant jamais installé en France. Sa puissance de calcul s'élève à . Équivalant à  de bureau réunis, il obtient la  mondiale.

En , le système Occigen, conçu par Bull, Atos technologies, pour le GENCI est installé sur le site du CINES ; il est doté d'une puissance de . Il se situait en  au classement mondial du TOP500 de .

En , Total annonce avoir triplé la capacité de calcul de son supercalculateur Pangea, passant à une puissance de calculs de  en pics de performance et de  en puissance utilisable. Cela lui permet de retrouver le  au TOP500 et le place ainsi en tête du secteur industriel mondial.

En , le GENCI met en service Adastra, un superordinateur fourni par HPE-Cray hébergé au CINES. Ses  lui permettent de gagner le  rang mondial en matière de performances de calcul.

Systèmes d'exploitation pour superordinateurs 

L'essor des supercalculateurs a vu Linux devenir le système d'exploitation équipant la majorité des  les plus puissants de la planète, Unix perdant progressivement du terrain face à Linux, mais occupant pendant un temps une place de choix sur le marché des supercalculateurs (5 %).

Windows ne fut exécuté que par deux des  les plus puissants de la planète, soit 0,4 %, tandis que BSD n'était présent que sur une seule machine du , soit 0,2 %. Enfin, les autres configurations («  », soit un ensemble de plusieurs types de systèmes d'exploitation) représentaient 4,6 %.

En , Linux équipe la totalité des 500 superordinateurs les plus puissants au monde.

Calculateur quantique

Supercalculateurs et jeux de réflexion

Notes et références

Annexes

Bibliographie 
 Georges Karadimas (Snecma), « Les superordinateurs dans le secteur aérospatial français », dans Nouvelle revue Aéronautique et Astronautique, ,  .

Articles connexes

Liens externes 
 
 
 
 Site HPC du commissariat à l'énergie atomique (CEA)
 Site officiel du centre informatique national de l'enseignement supérieur (CINES)
 Site officiel de l'institut du développement et des ressources en informatique scientifique (IDRIS)