Réacteurs nucléaires : de la simulation aux simulateurs - CEA

Effectuer des simulations numériques plus précises impose demettre en œuvre des modèles physiques et numériques eux-mêmesplus précis portant sur des descriptions plus fines des objets simulés(encadré A, Qu’est-ce qu’une simulation numérique ?). Toutceci nécessite des progrès dans le domaine des logiciels de simulationmais aussi une augmentation importante de la capacité deséquipements informatiques sur lesquels ces logiciels sont utilisés.Processeurs scalaires et vectorielsAu cœur de l’ordinateur, le processeur est l’unité de base qui, déroulantun programme, effectue les calculs. Il en existe deux grandstypes, les processeurs scalaires et les processeurs vectoriels.Les premiers exécutent des opérations portant sur des nombres élémentaires(scalaires), par exemple l’addition de deux nombres. Lesseconds exécutent des opérations portant sur des ensembles denombres (vecteurs), par exemple additionner deux à deux lesnombres composant deux ensembles de 500 éléments. À ce titre, ilssont particulièrement adaptés à la simulation numérique : lors del’exécution d’une opération de ce type, un processeur vectoriel peutfonctionner à une vitesse proche de sa performance maximale (crête).La même opération avec un processeur scalaire exige de nombreusesopérations indépendantes (opérations par composante des vecteurs)qui s’exécutent à une vitesse bien inférieure à sa vitesse crête. L’avantageprincipal des processeurs scalaires est leur prix : il s’agit demicroprocesseurs généralistes dont les coûts de conception et defabrication peuvent être amortis sur de larges marchés.Forces et contraintes du parallélismeLes processeurs récents permettent de hautes performances,d’une part en utilisant une fréquence de fonctionnement plusélevée, d’autre part en cherchant à exécuter en même tempsInstallée en décembre 2001 au CEA (centre DAM-Ile de France) et conçue par Compaq(devenue depuis HP), la machine Tera a pour élément de base un mini-ordinateur à4 processeurs Alpha à 1 GHz partageant une mémoire de 4 Go et fournissant une puissancetotale de 8 Gflops. Ces éléments de base sont interconnectés par un réseau rapide conçu parla société Quadrics. Une opération de synchronisation sur l’ensemble des 2 560 processeurss’effectue en moins de 25 microsecondes. Le système de fichiers global offre un espacede stockage de 50 téraoctets pour les entrées-sorties avec une bande passante agrégéede 7,5 Go/s.Les moyens informatiques de la simulationplusieurs opérations : c’est un premier niveau de parallélisme.L’accélération de la fréquence est limitée par l’évolution de latechnologie micro-électronique, tandis que les dépendancesentre instructions à exécuter par le processeur limitent le parallélismepossible. La mise en œuvre simultanée de plusieursprocesseurs constitue un second niveau de parallélisme, quipermet d’obtenir des performances accrues à condition de disposerde programmes capables d’en tirer parti. Alors que leparallélisme au niveau des processeurs est automatique, celuientre processeurs dans un ordinateur parallèle est à la chargedu programmeur, qui doit découper son programme en morceauxindépendants et prévoir entre eux les communicationsnécessaires. On procède souvent par un découpage du domainesur lequel porte le calcul, chaque processeur étant chargé desimuler le comportement d’un domaine, et par l’établissementde communications régulières entre processeurs afin de garantirla cohérence d’ensemble du calcul. Pour obtenir un programmeparallèle efficace, il faut s’assurer de l’équilibrage decharge entre processeurs et chercher à limiter le coût des communications.Les différentes architecturesCEALes équipements informatiques ont différentes fonctions. À partirde son ordinateur de travail sur lequel il prépare ses calculs eten analyse les résultats, l’utilisateur accède à des moyens de calcul,de stockage, et de visualisation partagés, mais beaucoup pluspuissants que les siens propres. L’ensemble de ces équipementssont reliés par des réseaux informatiques permettant de faire circulerles informations entre eux avec des débits compatibles avecle volume de données produites, pouvant atteindre 1 téraoctet(1 To = 10 12 octets) de données pour une seule simulation.Les grands équipements de calcul sont généralement appeléssupercalculateurs. Ils atteignent aujourd’huides puissances qui se chiffrent en téraflops(1 Tflops = 10 12 opérations de calcul parseconde).Il existe aujourd’hui trois grands types desupercalculateurs : les supercalculateurs vectoriels,les grappes de mini-ordinateurs àmémoire partagée et les grappes de PC (l’ordinateurque chacun possède chez soi). Lechoix entre ces architectures dépend largementdes applications et de l’utilisationvisées. Les supercalculateurs vectoriels disposentde processeurs très performants maisdont il est difficile d’augmenter la puissanceen ajoutant des processeurs. Les grappes dePC sont peu coûteuses mais mal adaptées àdes environnements où de nombreux utilisateursfont beaucoup de calculs très gourmandsen puissance machine, en mémoire eten entrées-sorties.Ce sont ces considérations qui ont en particulierconduit la Direction des applications militaires(DAM) du CEA à choisir pour son programmesimulation (voir Le programmeSimulation : la garantie des armes sansessais nucléaires) les architectures de typegrappe de mini-ordinateurs à mémoire partagée,encore appelées clusters de SMP (SymmetricMulti-Processor). Un tel système utilisecomme brique de base un mini-ordinateur com-