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Les supercalculateurs au régime sec

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Par publié le à 14h04

Les supercalculateurs au régime sec

Le supercalculateur Bull Sequana, dévoilé par Atos, entend conquérir l’exaflops grâce à une architecture tournée vers l’efficience énergétique. Son système de refroidissement à l’eau «chaude» repose sur des échangeurs ultrafins placés dans chaque serveur qui évacuent directement la chaleur du processeur, de la mémoire… L’eau, qui circule en boucle fermée, est ensuite refroidie «gratuitement» par de grands échangeurs placés en extérieur, au contact de l’air ambiant. Ce type de refroidissement affiche une efficacité 30 % supérieure au refroidissement à air. La sobriété de Sequana passe également par l’intégration de processeurs multicœurs, par des accélérateurs graphiques (Nvidia ou Intel Xeon Phi) et des cartes mémoire ainsi que par des interconnexions optimisées.

Pour atteindre des performances exaflopiques, il faudra décupler l’efficacité énergétique à l’horizon 2022. Et aucun composant ne sera épargné.

Gouffre énergétique

2 % seulement de l’électricité consommée par un supercalculateur servent au calcul.

3 Gflops/W C’est l’efficacité (puissance de calcul rapportée à l’énergie dépensée) moyenne des équipements actuels.

30 % du coût global (achat et utilisation) d’un supercalculateur sont consacrés à l’énergie.

22 millions d’euros par an, c’est la facture énergétique du chinois Taihulight.

 

Construire une centrale nucléaire derrière chaque supercalculateur ? Impensable… Et pourtant ! Sur la base des performances énergétiques actuelles, il n’en faudrait pas moins pour alimenter un supercalculateur atteignant la capacité de calcul mirifique d’un exaflops par seconde… Un milliard de milliards d’opérations, le grâal du calcul intensif ! Une puissance qui ouvrirait de nouveaux horizons dans des domaines de simulation ultra-complexes comme les échanges neuronaux dans le cerveau, la combustion ou la recherche de molécules pharmacologiques. À titre de comparaison, l’ordinateur le plus puissant à l’heure actuelle, le chinois Taihulight, tourne à 93 petaflops par seconde. Il n’en consomme pas moins la bagatelle de 15 mégawatts (MW)… pour une facture énergétique de l’ordre de 22 millions d’euros par an !

« Pour être réaliste un supercalculateur exaflopique ne devrait pas consommer plus de 20 MW. Par rapport aux performances moyennes des équipements actuels, son efficacité énergétique doit être multipliée par au moins 25 d’ici à 2022 ! », précise Michel Daydé, le délégué scientifique chargé des super­calculateurs au CNRS.

Au-delà de la loi de Moore

Pour relever le défi, les constructeurs ne peuvent plus se contenter d’empiler les processeurs, qui représentent 70 % de la consommation de ces superordinateurs. « Ils ne peuvent plus s’appuyer sur la loi de Moore, qui a permis l’augmentation régulière et rapide de la fréquence des processeurs, car la consommation énergétique augmente proportionnellement au carré de la fréquence », explique Michel Daydé. Résultat : les constructeurs ont plafonné, depuis une dizaine d’années, la fréquence des processeurs entre 2 et 3 gigahertz, au profit d’une logique de multiplication des « cœurs » implantés sur chaque puce, de manière à effectuer davantage de tâches en parallèle sans grever la consommation. À présent, ces processeurs « multicœurs », dont Intel ­possède une part de marché ultra-dominante, se retrouvent en concurrence avec les processeurs graphiques (GPU) de la société Nvidia.

Tout droit venus de nos ordinateurs personnels, les GPU exécutent certaines opérations comme le calcul vectoriel de façon dix fois plus efficace que les processeurs de calcul (CPU). « La mode a même été d’annoncer que l’on allait vers des supercalculateurs entièrement équipés de GPU. Mais ceux-ci sont limités à des fréquences deux à trois fois moins importantes, ce qui pose des problèmes de latence pour l’accès aux données en mémoire. Le plus probable est que l’on reste sur des architectures hybrides où le CPU gère les communications avec le système et le GPU intervient comme accélérateur de façon plus ou moins massive, selon que l’application s’y prête ou non », tempère Jean-Pierre Panziera, directeur technique chez Atos.

La solution ARM

Pour les constructeurs, le défi consiste aussi à intégrer plus finement les composants entre eux de manière à réduire les temps morts dans les échanges de données. À travers le consortium OpenPower, IBM a ouvert depuis 2013 la propriété intellectuelle de ses serveurs Power pour permettre aux différents fabricants – dont Nvidia – et utilisateurs de collaborer sur les technologies. Les temps de transfert entre CPU et GPU devraient être divisés par trois sur sa nouvelle génération de serveurs Power 9, qui équipera notamment le supercalculateur pré-exaflopique (200 petaflops par seconde) livré au département de l’énergie américain (DOE) cette année.

La technologie ARM pourrait également changer la donne grâce à son exceptionnelle sobriété. Hégémonique dans nos smartphones, où l’autonomie est clé, ce type d’architecture imbrique étroitement le CPU avec des unités vectorielles. Dans le cadre du projet européen Mont-Blanc, Atos doit présenter cette année un démonstrateur industriel de son supercalculateur Sequana équipé des processeurs ARM ThunderX2 de la société Cavium. Le géant Fujitsu mise également sur ARM pour livrer son supercalculateur exaflopique Post-K en 2020 à l’institut de recherche japonais Riken.

Le refroidissement, plus gourmand que le calcul

Au-delà des composants, la partie logicielle aura un grand rôle à jouer. « On peut gagner beaucoup au niveau de l’intelligence pour orchestrer les calculs, éviter que certains composants ne tournent à vide en attente d’informations et optimiser l’utilisation du hardware en fonction du type d’application », estime Laurent Vanel, spécialiste des infrastructures du calcul intensif chez IBM. Reste un dernier challenge : refroidir efficacement ces monstres d’électronique !

Le système Sequana d’Atos, dévoilé en 2016 par sa marque technologique Bull, mise sur un refroidissement à eau « chaude » très performant. « Pour 1 watt de puissance de calcul, on consomme 1,03 watt électrique, souligne Jean-Pierre Panziera. C’est bien plus efficace que le refroidissement à l’air ­climatisé, où cette consommation peut monter à 1,5 watt ! » Des stratégies annexes comme la localisation des équipements dans des environnements septentrionaux (Grand Nord) pour profiter de l’air froid gratuit ou la réutilisation de la chaleur pour chauffer des bâtiments adjacents peuvent aussi alléger le bilan énergétique.

Signe d’un infléchissement, le classement Green 500, qui répertorie les 500 supercalculateurs les plus « vertueux » en matière énergétique, a enregistré pour la première fois en novembre 2016 une stagnation des consommations moyennes, alors que les performances continuent d’augmenter. Le numéro un Taihulight affiche une consommation inférieure à celle de son prédécesseur également chinois, Tianhe-2 (18 MW), tout en étant trois fois plus puissant ! Atos revendique pour sa part un Sequana dix fois plus frugal que ses prédécesseurs. Rendez-vous en 2022 pour voir si les feuilles de route industrielles auront bien pris le relais de la loi de Moore.

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