Optimiser le calcul haute performance, un défi scientifique et écologique

Le calcul haute performance, une technologie stratégique

Jeune chargé de recherche au centre Inria Nancy – Grand Est, Bérenger Bramas a fait des applications haute performance (HPC) son domaine d’expertise. Après un stage au KAIST (Korean Advanced Institute of Science and Technology) en Corée du Sud, un diplôme d’ingénieur et un master à Clermont-Ferrand, un doctorat en informatique à Inria Bordeaux – Sud-Ouest, ainsi qu’un postdoctorat à l’institut Max Planck en Allemagne, il rejoint l’équipe Camus en 2018. Ce parcours lui apporte une double expérience en mathématiques appliquées et en calcul HPC. Deux ans après son arrivée chez Inria, il pilotera dans les prochains mois "TEXas" (Toward Hierarchical and Dynamic Orchestration of Exascale Machines), un projet de recherche consacré à l’optimisation des supercalculateurs, qu’il a imaginé et proposé dans le cadre du programme des actions exploratoires de l’institut.

Les supercalculateurs, des machines informatiques hors normes

« Le calcul HPC est une technologie majeure, utile aux scientifiques (astrophysiciens, climatologues, épidémiologistes, biologistes, géologues, etc.) comme aux ingénieurs de l’industrie », explique Bérenger Bramas. Elle leur permet par exemple de réaliser des simulations numériques afin d’étudier des phénomènes complexes (formation d’un trou noir, évolution du climat, développement d’une pandémie, repliement d’une protéine, évaluation d’un risque sismique, etc.) ou de développer et optimiser de nouveaux produits (navire, éolienne, vaccin, cosmétique, etc.).

« Certaines simulations, par exemple en météorologie, nécessitent des puissances de calcul importantes, voire hors du commun. Elles ne peuvent être réalisées que sur des supercalculateurs, des ordinateurs capables de réaliser plusieurs millions de milliards d’opérations de calcul par seconde », poursuit Bérenger Bramas. Ces machines utilisent des techniques de "parallélisation" : il s’agit de scinder un calcul complexe en calculs élémentaires plus simples, lesquels sont confiés à des processeurs ou des cœurs informatiques opérant en parallèle et échangeant des informations en cours de calcul.

L’optimisation des supercalculateurs, un défi majeur

Exploitant la force de calcul de plusieurs millions de cœurs, une "machine Exaflop", tel le supercalculateur japonais Fugaku, permet ainsi de réaliser un milliard de milliards d’opérations par seconde ! Dans le jargon des informaticiens, on dirait « 1 Eflop » (lire « un Exaflop », "Exa" signifiant un milliard de milliards et "flop" désignant une opération par seconde). Si le cœur d’un ordinateur battait au rythme cardiaque humain (une opération par seconde), il lui faudrait 30 milliards d’années (deux fois l’âge de notre univers !) pour réaliser un calcul qui ne prendrait qu’une seconde sur une machine Exaflops. De tels exploits se réalisent cependant au prix d’une consommation énergétique importante : la facture d’électricité d’un supercalculateur s’élève à quelques dizaines de millions d’euros par an !

Optimiser le fonctionnement des supercalculateurs, afin de garantir un accès à des applications haute performance variées et de minimiser sa consommation électrique est donc un défi scientifique et écologique majeur. « L’action exploratoire TEXas recherche des solutions technologiques pour optimiser les machines Exaflops. Le projet vise à élaborer de nouveaux modèles de programmation du calcul parallèle. Nous envisageons de développer des algorithmes dynamiques de pilotage des tâches accomplies par les supercalculateurs, leur permettant d’adapter leurs ressources de calcul durant l’exécution d’applications HPC (comme des simulations numériques) », précise Bérenger Bramas.

Les "actions exploratoires" d’Inria : accompagner des recherches à risque

Le projet, qui demande de repenser les stratégies actuelles de calcul parallèle sur leurs aspects à la fois informatiques et algorithmiques, n’est cependant pas sans risques. « Les solutions que je souhaite tester doivent faire leurs preuves et je n’ai aucune garantie de leur efficacité, explique Bérenger Bramas. Innover implique de prendre des risques ; et prendre des risques suppose aussi qu’un échec soit possible… »

Le programme des actions exploratoires d’Inria, qui soutient un projet comme TExas, permet justement d’accompagner des recherches risquées, en donnant la possibilité de réaliser des preuves de concepts sur des technologies en devenir, sans attendre de résultats immédiats. Il s’inscrit de façon plus large dans l’un des axes du Contrat d’objectifs et de performance (COP) de l’institut, celui de favoriser la prise de risque scientifique, en privilégiant notamment la réponse aux grands défis de la société et en stimulant l’interdisciplinarité des recherches.

Premiers pas d’une nouvelle thématique de recherche

« J’avais en tête de me lancer seul sur ce projet mais il sera plus efficace d’être épaulé pour relever le défi ! », indique le jeune chercheur. Pour TExas, l’accompagnement d’Inria se concrétise par un budget couvrant l’embauche pour deux ans d’un postdoctorant ou d’un ingénieur en informatique, chargé d’implémenter et d’améliorer les solutions imaginées par Bérenger Bramas.

À la veille d’engager son projet, il se veut confiant et pense déjà à la suite. « TExas devrait ouvrir une thématique de recherche nouvelle pour l’équipe, que je souhaite faire vivre sur le long terme. Si les premiers résultats s’avèrent encourageants, j’envisage de déposer d’ici la fin de l’année un dossier pour une ERC Starting Grant (une bourse financée par l’Union européenne et destinée aux jeunes chercheurs) afin de poursuivre ces travaux exploratoires », conclut Bérenger Bramas.