Superordinateur

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 (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. 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 » (en anglais : high-performance computing 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

Superordinateur CDC 6600 avec sa console. Lancé en 1964.

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 Control Data Corporation (CDC), avec son concepteur Seymour Cray. 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 XXI^e 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

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

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, etc.), les simulations physiques (simulations aérodynamiques, calculs de résistance des matériaux, simulation d'explosion d'arme nucléaire, étude de la fusion nucléaire, etc.), 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

Le superordinateur FSL JET du Forecast Systems Laboratory (en) de la National Oceanic and Atmospheric Administration (2000).

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

• leur architecture, en « pipeline » (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, etc.) associés à un système d'exploitation dédié (comme Linux, majoritairement utilisé actuellement).

Une lame IBM BladeCenter (en) HS20.

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

Supercalculateur IBM Blue Gene/Q de l'Argonne National Laboratory (2013).

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

• 
  Top 20 des supercalculateurs dans le monde en juin 2013.
• 
  Tableau de la vitesse de calcul (R_max) du top des superordinateurs ; échelle logarithmique sur 60 ans.
• 
  Distribution par pays des supercalculateurs du top 500 en novembre 2015.

Date	Superordinateur	Constructeur	Type de processeurs ; fréquence	Nombre de processeurs	Puissance réelle	Emplacement
1938	Z1	Konrad Zuse			1 FLOPS	Allemagne Chez Konrad Zuse
1939	Z2	Konrad Zuse			5 FLOPS	Allemagne Chez Konrad Zuse
1941	Z3	Konrad Zuse	5,33 Hz		20 FLOPS	Allemagne Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt
1942	Heath Robinson (en)	TRE			200 FLOPS	Royaume-Uni Bletchley Park
1943	Colossus Mark I	TRE			5 kiloFLOPS	Royaume-Uni Bletchley Park
1944	Colossus Mark II	TRE			5 kFLOPS	Royaume-Uni Bletchley Park
1946	ENIAC		100 kHz		50 kFLOPS	États-Unis Aberdeen Proving Ground
1956	TX-0	MIT Lincoln Laboratory	18 bits	3 600	83 kFLOPS	États-Unis Massachusetts Institute of Technology
1958	TX-2	MIT Lincoln Laboratory	5 MHz, 36 bits	22 000	83 kFLOPS	États-Unis Massachusetts Institute of Technology
1958	SAGE (en)	IBM			400 kFLOPS	États-Unis United States Air Force
1960	UNIVAC LARC (en)	IBM		2	500 kFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory et David Taylor Model Basin
1961	IBM 7030	IBM	100 MHz, 16K mots de 64 bits		1,2 mégaFLOPS	États-Unis Los Alamos National Laboratory
1964	CDC 6600	CDC	10 MHz		3 MFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
1969	CDC 7600 (en)	CDC	36,4 MHz		36,4 MFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
1974	Star-100	CDC	16 bits		100 MFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
1975	ILLIAC IV (en)	Burroughs	4 × 13 MHz, 64 bits	256	150 MFLOPS	États-Unis Ames Research Center (NASA)
1976	Cray-1	Cray	83 MHz, 64 bits	2	166 MFLOPS	États-Unis Los Alamos National Laboratory
1981	Cyber-205 (en)	CDC	32 / 64 bits		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
1984	Cray X-MP/48	Cray	Cray Vector, 4 × 117 MHz	4	800 MFLOPS	Plusieurs endroits dans le monde
1984	M-13				1 gigaFLOPS	Union soviétique Scientific Research Institute of Computer Complexes
1985	Cray-2	Cray	Cray Vector, 4 × 283 MHz	4	1,7 GFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
1989	ETA10-G/8 (en)	ETA Systems (en)			10,3 GFLOPS	États-Unis Université de l’État de Floride
1993	CM-5 (en)	Thinking Machines Corporation	SPARC	1 024	59,7 GFLOPS	États-Unis Los Alamos National Laboratory
1993	Numerical Wind Tunnel (en)	Fujitsu	Fujitsu VPP500	140	124,5 GFLOPS	Japon National Aerospace Lab
1994	XP/S140	Intel	Intel Paragon	3 680	143,4 GFLOPS	États-Unis Sandia National Labs
1994	Numerical Wind Tunnel (en)	Fujitsu	Fujitsu VPP500	140	170,4 GFLOPS	Japon National Aerospace Lab
1996	SR2201	Hitachi	Hitachi SR2201	1 024	220,4 GFLOPS	Japon Université de Tokyo
1996	CP-PACS	Hitachi	Hitachi SR2xxx CP-PACS	2 048	368,2 GFLOPS	Japon Center for Computational Physics
1997	ASCI Red	Intel	Intel Paragon ASCI-Red	7 264	1,07 téraFLOPS	États-Unis Sandia National Laboratories
1997	ASCI Red	Intel	Intel Paragon ASCI-Red	9 152	1,34 TFLOPS	États-Unis Sandia National Laboratories
1999	ASCI Red	Intel	Intel Paragon ASCI-Red	9 472	2,12 TFLOPS	États-Unis Sandia National Laboratories
1999	ASCI Red	Intel	Intel Paragon ASCI-Red	9 632	2,38 TFLOPS	États-Unis Sandia National Laboratories
2000	ASCI White (en)	IBM	IBM POWER3 375 MHz	8 192	4,94 TFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
2001	ASCI White (en)	IBM	IBM POWER3 375 MHz	8 192	7,23 TFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
2002	Earth Simulator	NEC	NEC SX6 1 000 MHz	5 120	35,86 TFLOPS	Japon Yokohama Institute for Earth Sciences
16 septembre 2004	Blue Gene/L	IBM	PowerPC 440 (en) 700 MHz	16 384	36,01 TFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
26 octobre 2004	Columbia	SGI	Intel Itanium 2 1 500 MHz	8 192	42,7 TFLOPS	États-Unis Ames Research Center (NASA)
novembre 2004	Columbia	SGI	Intel Itanium 2 1 500 MHz	10 160	51,87 TFLOPS	États-Unis Ames Research Center (NASA)
novembre 2004	Blue Gene/L	IBM	PowerPC 440 (en) 700 MHz	32 768	70,7 TFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
24 mars 2005	Blue Gene/L	IBM	PowerPC 440 (en) 700 MHz	65 536	135,5 TFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
27 octobre 2005	Blue Gene/L	IBM	PowerPC 440 (en) 700 MHz	131 072	280,6 TFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
2007	Blue Gene/L	IBM	PowerPC 440 2C 700 MHz	36 864	478,2-596 TFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
2008	Roadrunner	IBM	PowerXCell 8i 3 200 MHz	129 600	1,042 pétaFLOPS	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	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	Chine National Supercomputing Center, Tianjin
2011	K computer	Fujitsu	SPARC64 VIIIfx 2,0 GHz, « Tofu interconnect »	68 544	10,510 PFLOPS	Japon RIKEN, Kobe
2012	Sequoia	IBM	BlueGene/Q, Power BQC 16C 1,60 GHz, Custom		16,324 PFLOPS	États-Unis Lawrence Livermore National Laboratory
2012	Titan (un Jaguar amélioré)	Cray	Hybride : AMD Opteron + Nvidia Tesla K20	560 640	17,59 PFLOPS	États-Unis Laboratoire national d’Oak Ridge
2013	Tianhe-2	Intel	Hybride : Xeon E5-2692 + Xeon Phi	32 000 + 48 000	33,86 PFLOPS	Chine National University of Defense Technology, Guangzhou
2016	TaihuLight	NRCPC / Sunway	Sunway SW26010 260C	40 960	93,01 PFLOPS	Chine National Supercomputing Center, Wuxi
2018	Behold Summit	IBM / Nvidia	Hybride : IBM POWER9 + Nvidia Tesla V100	9 216 + 27 648	200 PFLOPS	États-Unis Laboratoire national d’Oak Ridge
2020	Fugaku	Fujitsu / ARM	ARM 2,2 Ghz	7 300 000	418 PFLOPS	Japon RIKEN, Kobe
2022	Frontier				1,1 EFLOPS	États-Unis, Oak Ridge Leadership Computing Facility

La part des CPU du TOP500 par famille de processeurs (juin 1993 - 2015).

Historique des records en France

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 1993, l'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) opère un ordinateur CM-5/128 qui utilise des processeurs SuperSPARC, il est classé 25^e au TOP500. Trois ans plus tard, en 1996, l'Institut du développement et des ressources en informatique scientifique (IDRIS) parvient à atteindre la 12^e place mondiale avec le T3E construit par Cray.

À la mi-2002, le plus puissant des supercalculateurs français se classe 4^e au TOP500, c'est le TERA basé sur des processeurs Alpha à 1 GHz (AlphaServer SC45) et développé par Hewlett-Packard ; il appartenait au Commissariat à l'énergie atomique (CEA). En janvier 2006, le TERA-10 de Bull lui succède, il génère une puissance de calcul de 60 téraFLOPS et se placera au 5^e rang mondial du TOP500.

En juin 2008, l'IDRIS et son Blue Gene/P Solution d'IBM affiche, selon le test LINPACK, une puissance de 120 téraflops et remporte la 10^e place.

En novembre 2009, la première machine française a pour nom Jade. De type « SGI Altix (en) » elle est basée au Centre informatique national de l'enseignement supérieur (CINES) de Montpellier. Ce supercalculateur se classe au 28^e rang mondial avec 128 téraflops au test LINPACK. Peu après, la configuration de la machine Jade est complétée pour atteindre une performance de 237 téraflops. La machine passe en juin 2010 au 18^e rang du TOP500. C’est alors le troisième système informatique européen et le premier français, il est destiné à la recherche publique.

En novembre 2010, le record français est détenu par le TERA-100 de Bull. Installé au CEA à Bruyères-le-Châtel pour les besoins de la simulation militaire nucléaire française, avec une performance de 1 050 téraflops, cette machine se hisse au 6^e rang mondial et gagne le 1^er rang européen. Elle est constituée de 17 296 processeurs Intel Xeon 7500 dotés chacun de huit cœurs et connectés par un réseau de type InfiniBand.

En mars 2012, 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. Il sera le supercalculateur le plus puissant de France en prenant la 9^e place du classement mondial. Il est conçu pour délivrer 2 pétaflops.

En janvier 2013, 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 2,3 pétaflops. Équivalant à 27 000 ordinateurs de bureau réunis, il obtient la 11^e place mondiale.

En janvier 2015, 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 2,1 pétaflops. Il se situait en 26^e position au classement mondial du TOP500 de novembre 2014.

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 lui permet de retrouver le 11^e rang au TOP500 et le place ainsi en tête du secteur industriel mondial.

En juin 2022, le GENCI met en service Adastra, un superordinateur fourni par HPE-Cray hébergé au CINES. Ses 46,10 pétaflops lui permettent de gagner le 10^e rang mondial en termes de performances de calcul.

Systèmes d'exploitation pour superordinateurs

Transition des systèmes d'exploitation des superordinateurs d'Unix (en bleu pâle) vers Linux (en vert).

L'essor des supercalculateurs a vu Linux devenir le système d'exploitation équipant la majorité des 500 supercalculateurs 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 %).^{[réf. souhaitée]}

Windows ne fut exécuté que par deux des 500 supercalculateurs les plus puissants de la planète, soit 0,4 %, tandis que BSD n'était présent que sur une seule machine du top 500, soit 0,2 %. Enfin, les autres configurations (« Mixed », soit un ensemble de plusieurs types de systèmes d'exploitation) représentaient 4,6 %.^{[réf. souhaitée]}

En novembre 2017, Linux équipe la totalité des 500 superordinateurs les plus puissants au monde.

Annexes

Bibliographie

• Georges Karadimas (Snecma), « Les superordinateurs dans le secteur aérospatial français », dans Nouvelle revue Aéronautique et Astronautique, n^o 2, juin 1994 (ISSN 1247-5793).

Articles connexes

• Supercalculateur exaflopique
• Accélération matérielle / FLOPS
• Belle, Deep Blue et Hydra, des supercalculateurs spécialisés pour le jeu 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

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