Le supercalculateur est l’ordinateur classique le plus rapide au monde. Il a une performance largement supérieure à celle d’un ordinateur à usage général permettant d’effectuer un calcul haute performance (HPC).
Résoudre les problèmes scientifiques et techniques implique le traitement d’une quantité massive de données. Mais un ordinateur traditionnel ne fournit pas la puissance nécessaire pour ces tâches complexes. De même, l’intelligence artificielle nécessite aussi un calcul haute performance. Découvrez ce qu’est un supercalculateur et comment cela fonctionne.
L’essentiel à retenir sur les supercalculateurs,
- Un supercalculateur assemble des milliers de processeurs pour dépasser l’exaflops (10¹⁸ FLOPS), surpassant largement les ordinateurs classiques.
- Ces infrastructures alimentent la recherche scientifique, la météorologie et l’intelligence artificielle grâce au calcul haute performance (HPC).
- Coûtant jusqu’à 600 millions de dollars, ces systèmes géants exigent un refroidissement liquide mesuré par le classement Green500.
Supercalculateur : définition
Un supercalculateur ou superordinateur est l’un des systèmes de traitement de l’information les plus puissants au monde. Il s’agit plus exactement d’un ensemble d’unités centrales qui fonctionnent de manière collective pour traiter des quantités massives de données. Plus le nombre d’ordinateurs qui le composent est élevé, plus sa puissance augmente.
Les unités centrales de traitement (CPU) sont donc regroupées en plusieurs, voire des dizaines de milliers de nœuds de calculs. Les interconnexions entre les nœuds leur permettent également de communiquer avec les systèmes d’entrée/sortie dont le stockage de données ou la mise en réseau.
Les performances d’un supercalculateur sont supérieures à celles des ordinateurs à usage général. Il est conçu ainsi pour prendre en charge les calculs très complexes tels que les problèmes scientifiques ou techniques. En d’autres termes, il permet de traiter les grandes bases de données avec une puissance étonnamment élevée.
L’histoire des superordinateurs
Vers la fin des années 1950, le gouvernement américain finançait le développement d’un système de calcul haute performance pour des applications militaires. Ces recherches ont influencé la progression de la technologie de supercalcul et le terme de supercalculateur est né au début des années 1960.
Parmi les premiers superordinateurs de l’histoire figure le LARC (Livermore Atomic Research Computer) d’UNIVAC. Il était destiné à l’US Navy Research and Development Center. De son côté, IBM a lancé l’IBM 7030 Stretch, construit pour le Los Alamos National Laboratory. Aux mains d’autres clients français et anglais, il est devenu la base pour le supercalculateur de cryptanalyse IBM 7950 Harvest.
Outre les projets gouvernementaux, les superordinateurs se sont aussi trouvé un usage industriel et commercial. Les sociétés Control Data Corporation (CDC) et Cray Research ont été les premiers leaders dans ces secteurs, avant qu’IBM prenne le devant dans les années 1990.
Comment fonctionne un supercalculateur ?
Pour résoudre un problème, les nœuds qui composent le supercalculateur communiquent entre eux en utilisant un traitement parallèle. Cela peut se faire par un multitraitement symétrique (SMP) ou par traitement massivement parallèle (MPP). Dans l’approche du SMP, les processeurs sont hébergés dans un même système d’exploitation et connectés à une seule instance de mémoire. Avec le MPP, chaque processeur est doté de ses propres systèmes d’exploitation et mémoire.
Une autre approche du supercalcul consiste à utiliser des superordinateurs distribués. Au lieu de regrouper les UCT au même endroit, le supercalculateur tire son énergie de plusieurs ordinateurs individuels. L’unité de mesure de la vitesse de calcul des superordinateurs est le FLOPS (opérations en virgule flottante par seconde).
Leur puissance se mesure désormais en PFLOPS (pétaflops, soit un million de milliards d’opérations par seconde) et dépasse désormais le cap de l’EFLOPS (exaflops, soit un milliard de milliards d’opérations par seconde). En termes simples, un supercalculateur exaflopique est plusieurs millions de fois plus puissant qu’un ordinateur portable haut de gamme.
Tous les superordinateurs utilisent un système d’exploitation basé sur Linux. Toutefois, il n’existe pas de norme industrielle, ce qui fait que chaque fabricant peut développer son propre dérivé de Linux.
Ce qui différencie le supercalculateur
La seconde partie du terme « superordinateur » est déjà très familière. Cependant, son préfixe « super- » fait en réalité toute la différence. Son taux de fonctionnement global surpasse largement les performances maximales des ordinateurs habituels.
Un ordinateur personnel classique ne délivre que quelques téraflops (10¹² FLOPS). A côté , un supercalculateur moderne atteint régulièrement des dizaines de pétaflops (10¹⁵ FLOPS). Les machines actuelles les plus puissantes dépassent même la barre de l’exaflops (10¹⁸ FLOPS).
Par ailleurs, ces grands systèmes informatiques consomment une quantité absolument massive d’énergie électrique. De plus, ils dégagent une chaleur extrême durant leurs opérations intensives. Cette forte température impose donc d’intégrer des systèmes de refroidissement liquide particulièrement avancés.
Il convient également de ne pas confondre les supercalculateurs et les ordinateurs quantiques. Ces derniers ne remplacent aucunement les supercalculateurs classiques dans le monde scientifique. Ils exploitent plutôt les principes complexes de la mécanique quantique pour fonctionner.
Ces principes reposent notamment sur les qubits, la superposition ainsi que l’intrication. Ils permettent de résoudre très vite certains problèmes mathématiques particulièrement spécifiques. Ces opérations complexes demeurent totalement hors de portée de l’informatique conventionnelle actuelle. Par conséquent, les ordinateurs quantiques demeurent jusqu’alors des machines extrêmement spécialisées.
À propos du supercalcul
Pour bien comprendre ce que fait un supercalculateur, voici quelques termes qui peuvent prêter à confusion. Par définition, le supercalcul correspond à des calculs complexes et volumineux qui nécessitent l’utilisation des superordinateurs.
En ce qui concerne les applications de ces dispositifs, il est généralement question de calcul haute performance (HPC, pour High Performance Computing). Le HPC désigne l’ensemble des technologies et des infrastructures permettant d’exploiter la puissance de traitement d’un supercalculateur ou d’un cluster de serveurs afin de résoudre des problèmes complexes.
En outre, nous avons parlé plus tôt de traitement parallèle, lorsqu’un supercalculateur utilise plusieurs CPU pour résoudre le même calcul. Notons cependant que les HPC peuvent aussi utiliser le calcul parallèle sans utiliser de superordinateur.
Enfin, un supercalculateur peut utiliser différents systèmes de processeurs. On peut notamment citer les processeurs multicœurs, les processeurs scalaires et les processeurs vectoriels. En somme, la distinction entre ces différents concepts de calcul dépend du processus et du matériel utilisé.
Utilisations d’un supercalculateur
Rappelons une fois de plus qu’un supercalculateur est conçu pour résoudre des calculs complexes et volumineux. Autrement dit, il effectue des tâches nécessitant beaucoup de ressources et surtout une grande puissance de traitement. Il est généralement utilisé en ingénierie scientifique et informatique au service des gouvernements, des centres de recherche ou des universités.
Les prévisions météorologiques
La météorologie est un domaine qui implique le traitement d’une énorme quantité d’informations complexes. Un supercalculateur permet alors de faire des prévisions fiables à haute résolution. Par exemple, depuis 2021, Méteo-France utilise Belenos et Taranis, deux systèmes d’Atos Bull Sequan qui fournissent une puissance totale de 21,48 PFLOPS.
Un superordinateur permet aux experts d’obtenir des informations plus complètes et plus précises sur les situations à haut risque. Ces données aideront par la suite à mieux anticiper les impacts des phénomènes météorologiques.
De même, le supercalcul permet de prévoir les impacts du changement climatique, notamment de la sécheresse, des fortes précipitations, etc. Par ailleurs, celles-ci peuvent également être utilisées pour créer une meilleure simulation du climat futur.
Les supercalculateurs au service de l’armée
Outre les recherches scientifiques, un supercalculateur peut aussi être utilisé dans le domaine militaire. Aux États-Unis, le programme Advanced Simulation and Computing (ASC) utilise depuis 1995 des superordinateurs pour simuler, tester et maintenir le stock nucléaire. D’autre part, l’armée utilise aussi le supercalcul pour comprendre l’impact des armes sur les soldats et les guerres.
La médecine
La recherche en médecine fait aussi face à une explosion de données de santé qui a augmenté de manière exponentielle au cours des dernières années. Le traitement de ces données est devenu impossible avec les ordinateurs traditionnels, d’où l’adoption des superordinateurs.
Pour prendre un exemple, NVIDIA a lancé le Cambridge-1 pour effectuer des recherches sur certaines maladies, notamment la démence ou la COVID-19. Le supercalculateur est également utilisé dans la recherche et le développement de nouveaux traitements médicaux ainsi que dans le séquençage du génome.
Comme autres cas d’utilisations d’un supercalculateur, nous pouvons citer la modélisation de la fusion nucléaire, l’exploration pétrolière et gazière sans oublier la cryptanalyse.
Le rôle d’un supercalculateur dans l’intelligence artificielle
Parmi tous les domaines qui nécessitent un calcul haute performance, l’intelligence artificielle se trouve en tête. En fait, cette branche de l’informatique rime désormais avec supercalculateur. Cela s’explique par le fait que les programmes d’IA et de machine learning requièrent le traitement de grandes quantités de données. Avec l’explosion du Big Data, l’enjeu est devenu beaucoup plus important.
Au cours des dix dernières années, la capacité de calcul nécessaire au développement de l’intelligence artificielle a augmenté de façon exponentielle. Pour être plus précis, la quantité de calcul utilisée dans les grands cycles d’apprentissage augmente environ de 3,4 fois par mois. Depuis 2012, l’entraînement des modèles d’IA/ML est devenu 300 000 fois plus gourmand en calculs.
Relever le défi de l’IA
Afin de relever le défi du supercalcul, une approche consiste à remplacer les processeurs à usage général par des processeurs spécialisés pour l’IA. Ainsi est né l’intérêt des entreprises telles que NVIDIA et Google pour les matériels spécialisés tels que les GPU et les TPU.
Certes, ces processeurs spécialisés ont considérablement accéléré le calcul des opérations d’IA/ML. Mais les technologies d’IA plus avancées telles que le deep learning et le reinforcement learning ont des besoins encore plus grands.
Une solution serait alors de combiner plusieurs processeurs d’IA pour effectuer un traitement parallèle. Pour le machine learning, le traitement parallèle peut se faire au niveau des modèles ou au niveau des données. Dans le premier cas, les différentes couches du réseau neuronal sont réparties sur les différents périphériques. En revanche, pour un traitement parallèle des données, tous les processeurs utilisent le même modèle, mais chacun traite une partie distincte des données.
Le supercalculateur : la solution ultime
Vous l’aurez compris, c’est cette combinaison de matériels et de logiciels qui rend le supercalculateur indispensable à l’intelligence artificielle. L’IA repose désormais sur trois composants principaux qui sont les données (Big Data), les algorithmes (ML, DL, Deep RL) et les superordinateurs.
Par ailleurs, dans tous les domaines d’utilisation des supercalculateurs que nous avons cités, l’IA occupe également un rôle grandissant. Autrement dit, à mesure que l’intelligence artificielle évolue dans tous les secteurs, le HPC devient de plus en plus important.
Top500 : les supercalculateurs les plus puissants
Le TOP500 est le classement de référence des superordinateurs les plus puissants au monde, mis à jour chaque année en juin et novembre. Le secteur a franchi le cap de l’ère exaflopique (capacité supérieure à 1018 FLOPS. Voici un aperçu des systèmes phares qui dominent le sommet du classement actuel :
- LineShine (Chine) : Occupant la 1ʳᵉ place du classement mondial, ce système installé à Shenzhen affiche une puissance de calcul de 2,198 exaflops.
- El Capitan (États-Unis) : Déployé au Lawrence Livermore National Laboratory, il atteint environ 1,80 exaflops.
- Frontier (États-Unis) : Premier système à avoir franchi la barre exaflopique au Oak Ridge National Laboratory, il développe environ 1,35 exaflops.
- Aurora (États-Unis) : Installé au Argonne National Laboratory, il délivre plus de 1,01 exaflops.
- JUPITER Booster (Allemagne) : Premier supercalculateur exaflopique européen, hébergé au centre de recherche de Jülich.
- Fugaku (Japon) : Ancien numéro un mondial avec 442 pétaflops, il demeure une référence majeure dans le Top 10 mondial.
Ces géants du calcul combinent des dizaines de milliers de processeurs (CPU) et d’accélérateurs graphiques (GPU) spécialisés, consommant plusieurs dizaines de mégawatts pour alimenter la recherche scientifique et les modèles d’intelligence artificielle.
Le défi écologique du supercalcul et la montée du Green500
La puissance grandissante des supercalculateurs exaflopiques pose un défi écologique majeur. Un système moderne de premier plan consomme parfois plus de 20 à 30 mégawatts. Cela équivaut directement à la consommation électrique d’une ville moyenne.
Pour mesurer cette empreinte, la communauté informatique s’appuie sur le classement Green500. Ce registre mondial de référence existe depuis l’année 2007. Il évalue le nombre d’opérations en virgule flottante effectuées par watt consommé.
Cette liste favorise l’intégration progressive d’accélérateurs matériels très frugaux. Elle valorise aussi les technologies de refroidissement liquide avancées. L’innovation ne tient pas qu’à des composants informatiques. Elle concerne aussi l’utilisation intelligente de la chaleur produite.
Installé à Kajaani en Finlande, le supercalculateur européen LUMI illustre cette démarche responsable. Son infrastructure fonctionne entièrement grâce aux énergies renouvelables locales. La totalité de la chaleur résiduelle de ses processeurs est captée.
Cette énergie est réinjectée dans le réseau de chauffage urbain de la municipalité. Ce dispositif couvre environ 20 % des besoins thermiques de la ville. Il réduit ainsi significativement l’empreinte carbone du centre de calcul. Cette valorisation circulaire de la chaleur fatale devient un critère d’ingénierie prioritaire pour les futurs centres de données.
Combien coûte la construction et l’exploitation d’un supercalculateur ?
La conception d’un supercalculateur d’exception requiert d’énormes dépenses. Le Department of Energy (DOE) a en outre investi 600 millions de dollars dans Frontier. L’achat des processeurs graphiques (GPU) et des interconnexions à faible latence représente un budget majeur. De plus, la facture d’électricité annuelle dépasse très fréquemment 10 millions d’euros par centre.
Pour contourner ces coûts très prohibitifs, plusieurs acteurs privés adaptent leur stratégie. Ils privilégient désormais la location de clusters HPC à la demande auprès de fournisseurs cloud. Le tableau ci-dessous détaille précisément l’ensemble des montants financiers observés actuellement. Il récapitule les dépenses de construction, de maintenance et d’accès horaire à ces machines.
| Type d’investissement | Équipement / Service | Organisation / Acteur | Montant estimé |
|---|---|---|---|
| Supercalculateur exaflopique (Complet) | Système Frontier (HPE / Cray EX) | Department of Energy (DOE) | 600 000 000 $ |
| Supercalculateur européen (Complet) | Système LUMI (Kajaani, Finlande) | EuroHPC JU | 144 000 000 € |
| Électricité annuelle (Système 30 MW) | Consommation d’infrastructure HPC | Oak Ridge National Laboratory | 15 000 000 $ à 30 000 000 $ / an |
| Processeur spécialisé IA (Unité) | GPU NVIDIA H100 (80 Go) | NVIDIA | 30 000 $ à 40 000 $ / GPU |
| Location Cloud HPC (Nœud 8x GPU) | Instance H100 SXM à la demande | AWS / Microsoft Azure | 3,50 $ à 4,50 $ / heure par GPU |
FAQ
Le gestionnaire d’orchestration Slurm Workload Manager distribue efficacement les tâches prioritaires. Il communique avec la bibliothèque MPI pour synchroniser des milliers de nœuds simultanément.
La communauté scientifique utilise le benchmark LINPACK pour évaluer les calculs matriciels intenses. Le test HPCG complète cette analyse avec des scénarios de calcul plus réalistes.
Un supercalculateur conserve son rang de performance globale pendant une durée de 5 à 7 ans. Passé ce délai, sa consommation électrique devient trop élevée par rapport à sa puissance.
Les centres critiques appliquent un isolationnisme réseau (air-gap) strict déconnecté d’Internet. En France, l’ANSSI supervise la cybersécurité de ces infrastructures informatiques hautement sensibles.
L’entreprise commune EuroHPC JU finance et coordonne les supercalculateurs du continent européen. Elle dispose d’un budget global de 7 milliards d’euros pour renforcer la souveraineté numérique.
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