[HPC] Quelles pistes pour les superordinateurs d'un exaflops ?

En 1964 a été construit le premier superordinateur, nommé Control Data 6600, avec une puissance de calcul d’un mégaflops, c’est-à-dire un million d’opérations en virgule flottante chaque seconde (comme additionner deux nombres à virgule). Il a été conçu par Seymour Cray, qui a lancé la société Cray, connue pour son activité dans les supercalculateurs.

Vingt et un ans plus tard, en 1985, la barre du gigaflops a été franchie par Cray-2. Actuellement, un processeur haut de gamme (comme un Intel i7 de dernière génération) fournit approximativement cent gigaflops.
Une dizaine d’années plus tard, en 1997, ASCI Red explose le téraflops, mille milliards d’opérations en virgule flottante par seconde  ; dans cette série de records, c’est le premier à ne pas être associé au nom de Cray. Un processeur graphique moderne haut de gamme (comme la GeForce GTX Titan X) dépasse maintenant quelques téraflops.

Il y a presque dix ans, Roadrunner atteignant le pétaflops, en combinant une série de processeurs similaires à ceux utilisés dans les PlayStation 3. Aujourd’hui, le plus puissant est Tianhe-2, installé en Chine (alors que les précédents sont américains), avec une cinquantaine de pétaflops. La route semble encore longue jusqu’à l’exaflops, c’est-à-dire un milliard de milliards d’opérations en virgule flottante par seconde. À nouveau, les États-Unis ont lancé un projet pour atteindre cette puissance de calcul à l’horizon 2020 — plus particulièrement, le Département de l’Énergie, le même à investir massivement dans un compilateur Fortran moderne libre.

Ces nombres paraissent énormissimes : un milliard de milliards d’opérations par seconde. Outre les aspects purement informatiques, ce genre de projets a une grande importance pour la recherche scientifique : les laboratoires américains de l’Énergie étudient notamment l’arme nucléaire et la destruction en toute sécurité d’ogives ; en Europe, le Human Brain Project vise à simuler toute l’activité cérébrale d’un cerveau humain au niveau neuronal, ce qui nécessiterait une puissance de calcul de cet ordre de grandeur.

Comment y arriver ?

Le département de l’Énergie estime que, actuellement, toutes les technologies nécessaires pour construire un tel superordinateur sont réunies. Cependant, il serait extrêmement difficile de l’alimenter : il faudrait un réacteur nucléaire complet pour y arriver ! Même si la construction de réacteurs fait partie de ses compétences, l’objectif de l’administration est de proposer une machine qui ne consomme « que » vingt mégawatts (un réacteur nucléaire produit généralement mille mégawatts). Erik DeBenedictis voit trois technologies pour réduire la consommation du facteur cinquante demandé : des transistors qui opèrent à une tension d’un millivolt, la mémoire 3D et les processeurs spécialisés.

En théorie, un transistor peut fonctionner avec des tensions bien plus faibles qu’actuellement, en passant d’un volt à quelques millivolts à peine, ce qui augmenterait l’efficacité énergétique des processeurs d’un facteur dix à cent à court terme (jusqu’à dix mille à plus long terme !). La diminution de tension a jusqu’à présent suivi la loi de Moore, suivant la taille des transistors ; cependant, elle est bloquée depuis une décennie au niveau du volt… mais personne ne sait comment y arriver. Plusieurs technologies pourraient néanmoins passer cette barre :

• les transistors FET à tunnel ;
• les technologies MEMS, avec des interrupteurs électromécaniques nanométriques ;
• la nanophotonique, qui exploiterait de la lumière pour transmettre l’information ;
• la nanomagnétique, avec des champs magnétiques qui pourraient créer des circuits non volatils.

Les mémoires empilées (aussi dites « en trois dimensions ») sont d’ores et déjà en cours de déploiement, sous des noms comme HBM ou HMC, dans les processeurs graphiques haut de gamme ou des accélérateurs spécifiquement prévus pour le calcul scientifique. Ils permettent une grande réduction de la consommation énergétique, d’autant plus enviable que l’objectif de vingt mégawatts réserve un tiers de la consommation à la mémoire. Une autre piste serait d’abandonner autant que possible la mémoire non volatile, pour passer par exemple à la mémoire résistive, comme la technologie Octane d’Intel.

Le troisième axe de recherche propose d’exploiter des architectures beaucoup plus spécifiques aux problèmes à résoudre. Elle est déjà exploitée, puisqu’une bonne partie des superordinateurs les plus puissants utilisent des processeurs graphiques. Cependant, Erik DeBenedictis propose de pousser l’idée plus loin encore : installer des processeurs extrêmement spécifiques aux tâches à réaliser, qui seraient activés seulement quand ils sont nécessaires. Pour effectuer d’autres types de calculs sur l’ordinateur, il faudrait alors installer d’autres processeurs spécialisés, ce qui n’est plus déraisonnable actuellement, au vu du prix des puces spécialisées.

Des compromis à réaliser

Ces trois pistes ont l’air intéressantes, mais n’ont pas du tout les mêmes propriétés quant au modèle de programmation actuel : si la physique derrière les processeurs change complètement, ils restent programmables de la même manière ; par contre, pour exploiter efficacement de nouveaux processeurs spécialisés, il faudrait changer complètement sa manière de pensée. La mémoire est dans une situation intermédiaire : empilée sur le processeur, les délais d’accès changent radicalement, l’ancien code n’est donc plus aussi efficace s’il tirait parti de ces spécificités, mais continuera à fonctionner ; au contraire, pour la mémoire résistive, il n’y aurait plus de distinction entre la mémoire utilisée pour effectuer les calculs et celle pour le stockage à long terme.

Sources : Three paths to exascale supercomputing (paru en ligne sous le titre Power problems threaten to strangle exascale computing), FLOPS.
Ce contenu a été publié dans HPC et calcul scientifique, Matériel par dourouc05.

Et vous ?
Quelle utilité voyez-vous au développement de ces superordinateurs ?
Quelles technologies aimeriez-vous voir arriver dans votre ordinateur personnel ?