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Les recherches sur le Covid-19 investissent les supercalculateurs

Xavier Boivinet

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Les recherches sur le Covid-19 investissent les supercalculateurs

Le supercalculateur Joliot-Curie du Genci met une partie de ses ressources à disposition du partenariat européen Prace.

© CEA

Depuis quelques jours, les centres de calcul haute-performance (HPC) donnent la priorité aux travaux sur le Covid-19, avec une évaluation simplifiée des propositions. Les calculs sont déjà lancés – ou en passe de l’être – pour des dizaines de projets aux Etats-Unis et en Europe, indiquent le Genci et IBM. Ils portent principalement sur la compréhension des mécanismes de l’infection virale et les moyens de la contrer.

La communauté du calcul haute-performance (HPC) invitait récemment les chercheurs travaillant sur l’épidémie de Covid-19 et son virus SARS-CoV-2 à utiliser ses infrastructures. L’appel a été entendu. Aux Etats-Unis, le HPC Consortium a déjà reçu plus d’une cinquantaine de propositions et une dizaine de travaux tournent déjà, affirme Alessandro Curioni, vice-président d’IBM pour l’Europe et l’Afrique et directeur de l’IBM Research Lab à Zurich (Suisse) : « La réponse a été très rapide et cela continue. Nous espérons avoir bientôt les premiers résultats. » Côté français, une quinzaine de projets ont démarré ou sont en cours de démarrage sur les trois sites du Grand équipement national de calcul intensif (Genci). A l’échelle européenne, Prace a reçu une douzaine de propositions, en cours d’évaluation.

Mutualiser pour mieux flécher

Lancé le 22 mars par IBM et le département de l’énergie américain (DOE), le HPC Consortium réunit laboratoires et entreprises qui souhaitent mettre à disposition leurs ressources de calcul intensif. Parmi eux : le Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL), le Massachusetts Institute of Technology (MIT), la Nasa et bien d’autres. Mais aussi Amazon, Google, Microsoft et Hewlett Packard Entreprise. A eux tous, ils regroupent une puissance de calcul de 366 pétaflops (1 pétaflop/s = 1 million de milliards d’opérations en virgule flottante par seconde), plus de 2,8 millions de cœurs de calcul CPU et de 36 000 GPU.

« C’est la première fois qu’une telle mobilisation des ressources HPC a lieu, estime M. Curioni. De plus avec des entreprises qui se portent volontaires et offrent gratuitement leurs ressources. » Rassembler les forces offre selon lui de la flexibilité pour permettre de flécher rapidement les propositions vers les infrastructures les plus appropriées.

Côté européen, le Partenariat pour le calcul avancé en Europe (Prace) avait lancé un appel à propositions le 24 mars. Regroupant 26 pays membres, ce consortium totalise 150 pétaflop/s en regroupant des systèmes en Allemagne, en Italie, en Espagne, en Suisse et en France.

Parmi les machines mises à disposition, le supercalculateur Joliot-Curie exploité par les équipes du Très Grand Centre de calcul du CEA (TGCC). Avec ses 22,7 pétaflop/s il est l’un des trois supercalculateurs du Genci, tous mis à disposition des travaux sur le Covid-19 dès le 16 mars. Les deux autres sont Jean Zay et Occigen. Avec 16 et 3,5 pétaflop/s respectivement, ils sont exploités par l'Institut du développement et des ressources en informatique scientifique (IDRIS) du CNRS et le Centre informatique national de l’enseignement supérieur (CINES).

Covid-19 : priorité numéro 1

La réponse des chercheurs à l’appel issu de la communauté HPC est d’autant plus notable que la biologie et la santé sont peu représentées parmi les secteurs qui ont généralement recours au calcul intensif. « Les projets existent mais sont beaucoup moins nombreux qu’en astrophysique, cosmologie ou chimie moléculaire, remarque Philippe Lavocat, président directeur général du Genci. Les équipes sont petites avec beaucoup de médecins qui ont une approche plus proche du terrain. » Or la simulation requiert des compétences, en sus de celles en chimie et biologie, en mathématiques, traitement de signal, algorithmie et informatique. « Cela s’intensifie, mais lentement, poursuit-il. Cet épisode sera peut-être l’occasion d’accélérer le passage à une échelle supérieure. »

Dans les consortiums aux Etats-Unis comme en Europe et en France, les projets liés au Sars-CoV-2 sont aujourd’hui prioritaires pour l’accès aux ressources de calcul. « Trouver des solutions pour lutter contre la propagation de ce virus est devenue la priorité numéro un », assure M. Curiani. Et les processus d’évaluation des projets sont accélérés. « Nous sommes capables de donner accès à nos machines en quelques jours », assure Stéphane Requena, responsable technique et de l’innovation au Genci. Idem du côté européen avec Prace. Aux Etats-Unis, un comité de spécialistes se réunit chaque jour pour évaluer l’impact des propositions, précise M. Curiani : « Les réponses sont fournies sous un ou deux jours. »

Modélisation au niveau atomique

La majorité des travaux portent sur la compréhension des mécanismes de l'infection virale et les moyens de l’inhiber dans l’optique de développer des traitements. Les simulations permettent de cribler massivement des molécules susceptibles d’empêcher ou de freiner l’ « appareillage » entre les protéines « Spike » en surface du coronavirus et les cellules humaines. Début mars déjà, des chercheurs du Laboratoire national d’Oak Ridge (Tennessee) avaient simulé le comportement de 8 000 molécules grâce à Summit, le plus puissant supercalculateur en service. Parmi elles, 77 avaient été identifiées comme candidates pour un médicament contre le Covid-19.

« Au plus fin, nous pouvons modéliser au niveau atomique la réaction qui se produit quand une molécule candidate entre en contact avec une protéine Spike », poursuit M. Requena. Interactions électromagnétiques entre cortèges électroniques, phénomènes d'influence, de désorption, d'adsorption, taille des cavités dans lesquelles le virus peut être piégé,... « En modélisant les interactions qui se produisent à cette échelle lors de la rencontre entre une molécule et le virus, nous passons de la biochimie à la biophysique », ajoute Philippe Lavocat.

Mille ans de calcul en quelques jours

D'autres travaux portent sur l’épidémiologie et étudient la propagation du virus. « Des équipes de l'Inserm sont sur le pont pour aider les pouvoirs publics et l'OMS », assure M. Requena. Enfin, dans un registre plus lié aux sciences humaines, un projet impliquant des équipes de l'AP-HP et du CHU de Saint-Etienne vise à modéliser, via les réseaux sociaux, des utilisations indésirables de certains médicaments.

Grâce à leur architecture ultra parallélisée, les supercalculateurs permettent de gagner un temps précieux en étant capables d’exécuter énormément de calculs en même temps. Stéphane Requena prend l’exemple d’un projet qui doit démarrer sur la machine Joliot-Curie du CEA : la modélisation fine de la structure électronique d’une protéine et son inhibiteur associé. « Pour une simulation, il faut une heure de calcul sur 32 nœuds à 128 cœurs », précise-t-il. Soit une heure sur plus de 4 000 cœurs. En considérant tous les inhibiteurs possibles avec la protéine complète, le budget passe à 10 millions d'heures. « Cela se fait en quelques jours sur nos machines alors qu’il faudrait des centaines d’années, voire mille ans, pour le faire sur un ordinateur de bureau, sous réserve qu’il possède suffisamment de mémoire », poursuit-il.

Vers une alliance Etats-Unis, Europe et Australie ?

Pour l’instant, les premiers membres du HPC Consortium formé aux Etats-Unis sont tous américains. Mais le projet est ouvert, affirme M. Curiani : « Toute organisation qui peut offrir une quantité raisonnable de ressources et qui souhaite nous rejoindre est bienvenue. » Des réunions ont déjà eu lieu au niveau européen pour évoquer l’éventualité de s’associer aux Etats-Unis et potentiellement à l’Australie, confie M. Lavocat : « C'est en train de se mettre en place. Au niveau français, nous suivrons à partir du moment où la participation du pays est bien définie. De plus, dès lors que des entreprises privées sont impliquées dans le consortium, il faut être clair sur le fait que nous sommes dans une démarche de recherche ouverte. »

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