Superordinateur

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher
Le supercalculateur IBM Blue Gene/P de l'Argonne National Laboratory fonctionne avec 250 000 processeurs utilisant un système de refroidissement standard par air, groupé dans 72 racks/cabinets et interconnectés par un réseau de fibre optique à haute vitesse[1] (2007).
Le superordinateur Columbia du centre de recherche Ames Research Center de la NASA, composé de 10 240 processeurs Intel Itanium 2, regroupés en 20 nœuds de 512 processeurs, et exécutant un système d'exploitation Linux (2006).

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.

La science des superordinateurs est appelée « calcul haute performance » (en anglais : High-Performance Computing ou HPC).

Historique[modifier | modifier le code]

Superodinateur CDC 6600 avec sa console. Lancé en 1964.

Les premiers superordinateurs (ou supercalculateurs) apparaissent dans les années 1960. Conçus par Seymour Cray, pour le compte de la société Control Data Corporation (CDC), cette dernière est le premier constructeur mondial de superordinateurs à l'époque, jusque dans les années 1970. 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 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 « crash » 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.

Un supercalculateur Cray-2, inventé par Seymour Cray et lancé à partir de 1985.

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 XXIe siècle, 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[modifier | modifier le code]

Total de la puissance de calcul des 500 meilleurs supercalculateurs mondiaux, de 1993 à 2008 (selon le classement TOP500).
Article détaillé : FLOPS.

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 moléculaireetc.), les simulations physiques (simulations aérodynamiques, calculs de résistance des matériaux, simulation d'explosion d'arme nucléaire, étude de la fusion nucléaireetc.), 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[2].

Conception[modifier | modifier le code]

Les superordinateurs tirent leur supériorité sur les ordinateurs conventionnels à la fois grâce à :

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 goulets d’étranglement restants.

Principaux obstacles techniques[modifier | modifier le code]

Supercalculateur IBM Blue Gene/Q de l'Argonne National Laboratory ().

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-II, 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[modifier | modifier le code]

Article détaillé : TOP500.
Cliquez sur une vignette pour l’agrandir
Date Superordinateur Constructeur Type de processeurs ; fréquence Nombre de processeurs Puissance réelle Emplacement
Z1 Konrad Zuse FLOPS Drapeau de l'Allemagne Allemagne
Chez Konrad Zuse
Z2 Konrad Zuse 5 FLOPS Drapeau de l'Allemagne Allemagne
Chez Konrad Zuse
Z3 Konrad Zuse 5,33 Hz 20 FLOPS Drapeau de l'Allemagne Allemagne
Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt
Heath Robinson (en) TRE 200 FLOPS Drapeau : Royaume-Uni Royaume-Uni
Bletchley Park
Colossus Mark I TRE kiloFLOPS Drapeau : Royaume-Uni Royaume-Uni
Bletchley Park
Colossus Mark II TRE 5 kFLOPS Drapeau : Royaume-Uni Royaume-Uni
Bletchley Park
ENIAC 100 kHz 50 kFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Aberdeen Proving Ground
1956 TX-0 MIT Lincoln Laboratory 3 600, 18 bits 83 kFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Massachusetts Institute of Technology
1958 TX-2 MIT Lincoln Laboratory 22 000, 36 bits 5 MHz 83 kFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Massachusetts Institute of Technology
1958 SAGE (en) IBM 400 kFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
United States Air Force
UNIVAC LARC (en) 500 kFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory et David Taylor Model Basin
IBM 7030 IBM 1,2 mégaFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Los Alamos National Laboratory
1964 CDC 6600 CDC 3 MFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
1969 CDC 7600 (en) CDC 36,4 MFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
1974 Star-100 CDC 100 MFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
1975 ILLIAC IV (en) Burroughs 150 MFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Ames Research Center (NASA)
1976 Cray-1 Cray 166 MFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Los Alamos National Laboratory
1981 Cyber-205 (en) CDC 400 MFLOPS Plusieurs endroits dans le monde
1982 Cray X-MP Cray Cray Vector 2×105 MHz 2 400 MFLOPS Plusieurs endroits dans le monde[4]
1984 Cray X-MP/48 Cray Cray Vector 4×117 MHz 4 800 MFLOPS Plusieurs endroits dans le monde[4]
1984 M-13 gigaFLOPS Drapeau de l'URSS Union soviétique
Scientific Research Institute of Computer Complexes
1985 Cray-2 Cray Vector 4×283 MHz 4 1,7 GFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
1989 ETA10-G/8 (en) 10,3 GFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Université de l’État de Floride
1993 CM-5 (en) Thinking Machines Corporation (en) SPARC 1 024 59,7 GFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Los Alamos National Laboratory
1993 Numerical Wind Tunnel (en) Fujitsu Fujitsu VPP500 140 124,5 GFLOPS Drapeau du Japon Japon
National Aerospace Lab
1994 XP/S140 Intel Intel Paragon 3 680 143,4 GFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Sandia National Labs
1994 Numerical Wind Tunnel (en) Fujitsu Fujitsu VPP500 140 170,4 GFLOPS Drapeau du Japon Japon
National Aerospace Lab
1996 SR2201 Hitachi Hitachi SR2201 1 024 220,4 GFLOPS Drapeau du Japon Japon
Université de Tokyo
1996 CP-PACS Hitachi Hitachi SR2xxx CP-PACS 2 048 368,2 GFLOPS Drapeau du Japon Japon
Center for Computational Physics
1997 ASCI Red Intel Intel Paragon ASCI-Red 7 264 1,07 téraFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Sandia National Laboratories
1997 ASCI Red Intel Intel Paragon ASCI-Red 9 152 1,34 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Sandia National Laboratories
1999 ASCI Red Intel Intel Paragon ASCI-Red 9 472 2,12 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Sandia National Laboratories
1999 ASCI Red Intel Intel Paragon ASCI-Red 9 632 2,38 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Sandia National Laboratories
2000 ASCI White (en) IBM IBM IBM POWER3 375 MHz 8 192 4,94 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
2001 ASCI White (en) IBM IBM IBM POWER3 375 MHz 8 192 7,23 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
2002 Earth Simulator NEC NEC SX6 1 000 MHz 5 120 35,86 TFLOPS Drapeau du Japon Japon
Yokohama Institute for Earth Sciences
Blue Gene/L IBM PowerPC 440 (en) 700 MHz 16 384 36,01 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
Columbia SGI Intel Itanium 2 1 500 MHz 8 192 42,7 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Ames Research Center (NASA)
Columbia SGI Intel Itanium 2 1 500 MHz 10 160 51,87 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Ames Research Center (NASA)
Blue Gene/L IBM PowerPC 440 (en) 700 MHz 32 768 70,7 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
Blue Gene/L IBM PowerPC 440 (en) 700 MHz 65 536 135,5 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
Blue Gene/L IBM PowerPC 440 (en) 700 MHz 131 072 280,6 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
2007 Blue Gene/L IBM 478,2 TFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
2008 Roadrunner IBM PowerXCell 8i 3 200 MHz 129 600 1,042 pétaFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
DoE-Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, Nouveau-Mexique
2009 Jaguar (amélioré en Titan) Cray Processeurs six cœurs AMD 224 162 1,759 PFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Laboratoire national d’Oak Ridge
2010 Tianhe-1A NUDT Hybride : Intel Xeon + GPU Nvidia Tesla M2050 + FeiTeng-1000 14 366 + 7 166 2,566 PFLOPS Drapeau de la République populaire de Chine Chine
National Supercomputing Center, Tianjin
2011 K computer Fujitsu SPARC64 VIIIfx 2,0 GHz, Tofu interconnect 68 544 10,510 PFLOPS[5] Drapeau du Japon Japon
RIKEN, Kobe
2012 Sequoia IBM BlueGene/Q, Power BQC 16C 1,60 GHz, Custom 16,324 PFLOPS[6] Drapeau des États-Unis États-Unis
Lawrence Livermore National Laboratory
2012 Titan (Jaguar amélioré) Cray Hybride : AMD Opteron + Nvidia Tesla K20 560 640 17,59 PFLOPS Drapeau des États-Unis États-Unis
Laboratoire national d’Oak Ridge
2013 Tianhe-2 Intel Hybride : Xeon E5-2692 + Xeon Phi 32 000 + 48 000 33,86 PFLOPS Drapeau de la République populaire de Chine Chine
National University of Defense Technology[7], Guangzhou
2016 TaihuLight NRCPC/Sunway Sunway SW26010 260C 40 960 93,01 PFLOPS Drapeau de la République populaire de Chine Chine
National Supercomputing Center, Wuxi[8]

Historique des records en France[modifier | modifier le code]

Le supercalculateur Jade installé par le GENCI au Centre informatique national de l'enseignement supérieur (CINES), à Montpellier, France (2010).
Le supercalculateur Occigen installé par le GENCI au CINES, à Montpellier (2015).

En , l'Institut de Physique du Globe de Paris (IGP) opère un ordinateur CM-5/128 qui utilise des processeurs SuperSPARC, il est classé 25e au TOP500[9]. Trois ans plus tard, en , l'Institut du développement et des ressources en informatique scientifique (IDRIS) parvient à atteindre la 12e place mondiale avec le T3E construit par Cray[10].

À la mi-, le plus puissant des supercalculateurs français se classe 4e au TOP500, c'est le TERA basé sur des processeurs Alpha à 1 GHz (AlphaServer SC45) et développé par Hewlett-Packard[11] ; il appartenait au Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA). En , le TERA-10 de Bull lui succède, il génère une puissance de calcul de 60 téraFLOPS, et il se placera au 5e rang mondial du TOP500[12].

En , l'IDRIS et son Blue Gene/P Solution d'IBM affichent, selon le test LINPACK, une puissance de 120 téraflops et remportent la 10e place[13].

En , la première machine française a pour nom Jade. De type « SGI Altix (en) » et basée au Centre informatique national de l'enseignement supérieur (CINES) à Montpellier, le supercalculateur se place au 28e rang mondial avec 128 téraflops pour le test LINPACK. En , la configuration de la machine Jade est complétée et sa performance atteint 237 téraflops. La machine passe au 18e rang du TOP500[14]. C’est la troisième machine européenne et la première française. Elle est destinée à la recherche publique.

En , la première machine française est le TERA-100 de Bull. Installée au CEA à Bruyères-le-Châtel, pour les besoins de la simulation militaire nucléaire française, avec une performance de 1 050 téraflops, la machine se place au 6e rang mondial et au 1er rang européen[15]. Elle est constituée de 17 296 processeurs 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 1,359 pétaflops[16]. il devient le supercalculateur le plus puissant de France et prend la 9e place du classement[17] mondial. Il est conçu pour délivrer 2 pétaflops.

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[18] détenu par Total est inauguré, devenant le système le plus puissant jamais installé en France. Sa puissance de calcul s'élève à 2,3 pétaflops, équivalant à celle de 27 000 ordinateurs de bureau réunis, il obtient la 11e place mondiale[19].

En , le système Occigen, un système conçu par Bull pour le GENCI, installé sur le site du Centre informatique national de l'enseignement supérieur (CINES). La puissance de cette machine est de 2,1 pétaflops. Elle se situait en 26e position au classement mondial au TOP500 de novembre 2014[20].

En mars 2016, Total annonce avoir triplé la capacité de calcul de son supercalculateur Pangea, passant à une puissance de calculs de 6,7 pétaflops en pics de performance et de 5,28 pétaflops en puissance utilisable. Cela le place ainsi en tête du secteur industriel[21] et il retrouve le 11e rang mondial du TOP500[19].

Systèmes d'exploitation pour superordinateurs[modifier | modifier le code]

graphe temporel des systèmes d'exploitation.
Transition des systèmes d'exploitation des superordinateurs d'Unix (en bleu pâle) vers Linux (en vert).
  • Linux est le système d'exploitation équipant la très grande majorité des 500 supercalculateurs les plus puissants de la planète (92,4 % en juin 2012)[3],[22].
  • Unix perd progressivement du terrain face à Linux, mais occupe encore une place de choix sur le marché des supercalculateurs (5 %).
  • Windows n'est exécuté que par deux des 500 supercalculateurs les plus puissants de la planète, soit 0,4 %[3].
  • BSD, quant à lui, ne dispose que d'une seule représentation dans le top 500, soit 0,2 %.
  • Enfin, les autres configurations (« Mixed », soit un ensemble de plusieurs types de systèmes d'exploitation) représentent 4,6 %.

Supercalculateurs et jeux de réflexion[modifier | modifier le code]

Échecs[modifier | modifier le code]

En 1997, le supercalculateur Deep Blue d'IBM bat le champion du monde d'échecs Garry Kasparov lors d'un match revanche. C'est la première fois qu'un champion du monde est battu par un supercalculateur en match de plusieurs parties.

Auparavant, en mai 1994, à Munich, le programme Fritz 3, tournant sur un ordinateur avec un monoprocesseur Pentium à 90 MHz, gagna une partie de blitz dans un tournoi contre Kasparov et, en août 1994, lors du premier tour du grand Prix d'Intel à Londres, le champion du monde affronta Chess Genius 2.9 (tournant sur un Pentium à 100 MHz) en semi-rapide (30 min. la partie) et perdit 0.5-1.5[23].

Go[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Go en informatique et AlphaGo.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « IBM Blue gene announcement », sur IBM.com,‎ (consulté le 9 juin 2012).
  2. Classement Top 500 Juin 2013.
  3. a, b et c (en) Les supercalculateurs les plus puissants de la planète et leur système d’exploitation, sur top500.org.
  4. a et b (en) USDA National Nutrient Database for Standard Reference, sur nal.usda.gov.
  5. TOP500 List - November 2011 (1-100) sur top500.org.
  6. TOP500 List - June 2012 (1-100) sur top500.org.
  7. « Le plus puissant super-ordinateur au monde est chinois », Le Monde.fr avec l’AFP, 18 juin 2013.
  8. « La Chine devient la première puissance informatique au monde », Jean-Marc De Jaeger, Le Figaro.fr, 21 juin 2016.
  9. « CM-5/128 | TOP500 Supercomputer Sites », sur www.top500.org (consulté le 31 mai 2016).
  10. « T3E | TOP500 Supercomputer Sites », sur www.top500.org (consulté le 31 mai 2016).
  11. « AlphaServer SC45, 1 GHz », sur www.top500.org (consulté le 22 novembre 2015).
  12. « Tera-10 - NovaScale 5160, Itanium2 1.6 GHz, Quadrics », sur www.top500.org (consulté le 22 novembre 2015).
  13. « Blue Gene/P Solution | TOP500 Supercomputer Sites », sur www.top500.org (consulté le 2 juin 2016)
  14. « Jade | TOP500 Supercomputing Sites », sur top500.org,‎ (consulté le 11 juin 2010).
  15. (en) Tera-100 Classement Top500 novembre 2010 sur top500.org.
  16. « Curie thin nodes - Bullx B510, Xeon E5-2680 8C 2.700GHz, Infiniband QDR | TOP500 Supercomputer Sites », sur www.top500.org (consulté le 31 mai 2016).
  17. TOP500 List - juin 2012 (1-100) sur top500.org.
  18. « Pangea : le supercalculateur de Total est le 14e plus puissant au monde », novembre 2013, sur connaissancedesenergies.org.
  19. a et b « Pangea - SGI ICE X, Xeon E5-2670 8C 2.600GHz, Infiniband FDR | TOP500 Supercomputer Sites », sur www.top500.org (consulté le 31 mai 2016).
  20. (en) « Occigen - bullx DLC, Xeon E5-2690v3 12C 2.6GHz, Infiniband FDR », sur TOP500.org (consulté le 4 avril 2016).
  21. « Total triple la puissance de son supercalculateur Pangea - Le Monde Informatique », sur LeMondeInformatique (consulté le 25 avril 2016).
  22. Top 500 de juin 2012, sur linuxfr.org.
  23. « L’espèce humaine, échec et mat », Pierre Barthélémy, Libération.fr, 11 septembre 2014 (consulté le 29 janvier 2016).

Annexes[modifier | modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia :

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]