Textarossa : préparer la révolution du calcul haute performance

Le HPC, au cœur de nombreux enjeux sociétaux

Anticiper les effets du réchauffement climatique sur notre planète, plonger au cœur de la matière pour créer de nouvelles molécules et des traitements innovants, optimiser la forme d’une pale d’éolienne afin d’en tirer le meilleur rendement, concevoir les matériaux du futur, plus légers, résistants et durables : derrière ces sujets majeurs pour notre avenir, se cache le calcul haute performance (HPC), renforcé par les techniques d’intelligence artificielle (IA) et de l’analyse de données.

Cette technologie est au cœur d’un projet européen H2020 d’envergure, intitulé Textarossa (Towards EXtreme scale Technologies and Accelerators for euROhpc hw/Sw Supercomputing Applications for exascale). Lancé le 1^er avril 2022, il associe 11 partenaires (voir encadré), dont Inria. Doté d’un budget de 6 millions d’euros sur 36 mois, il est piloté par l’Agence nationale italienne pour les nouvelles technologies, l'énergie et le développement durable (ENEA).

La révolution des supercalculateurs

Concernant Inria, c’est Bérenger Bramas, jeune chercheur en informatique, qui contribue à ce projet européen. Il travaille au sein de l’équipe-projet Camus, située à Strasbourg et rattachée au centre Inria Nancy - Grand Est et au laboratoire ICube. Cette équipe est spécialisée dans les techniques de parallélisation et d’optimisation de processeurs dites "multicoeurs" et elle développe des méthodes concourant à leur utilisation efficace en HPC.

Bérenger Bramas éclaire pour nous les enjeux cruciaux du projet Textarossa : « La décennie 2020 devrait voir la naissance de supercalculateurs exaflopiques européens (ou "‘exascale computing’" en anglais), capables de réaliser 10¹⁸ opérations par seconde, soit un milliard de milliards de calculs en une seconde. Cette puissance computationnelle est phénoménale : un seul supercalculateur de ce type est en effet aussi performant que les 100 superordinateurs les plus puissants actuellement utilisés en Europe ! Les États-Unis, la Chine, le Japon et l’Union européenne ont déjà engagé d’ambitieux projets en exascale. Textarossa vise à préparer cette révolution numérique en évaluant le potentiel de nouvelles solutions techniques déployables, à terme, dans de telles machines. »

Le défi de la sobriété énergétique

Les défis scientifiques posés par la mise au point et l’exploitation de ces mastodontes numériques sont nombreux. Au premier plan, leur sobriété énergétique : pour offrir aux scientifiques sa puissance de calcul hors norme, un supercalculateur engloutit tout de même plusieurs millions d’euros d’électricité par an ! Son fonctionnement produit en outre une intense chaleur, que des systèmes de refroidissement performants doivent être capables de dissiper…

Construire et faire fonctionner un calculateur exascale demande donc d’innover tous azimuts. Le consortium Textarossa (dont le nom évoque la rapidité, en référence à une fameuse automobile de sport italienne) se donne plusieurs objectifs : mettre au point de nouveaux matériels informatiques ultra-rapides, concevoir des équipements de refroidissement innovants, et développer des algorithmes et logiciels de nouvelle génération. Les applications visées par le projet ne se restreignent pas aux champs traditionnels du HPC, telle la simulation numérique, mais concernent également ses domaines émergents, comme l'intelligence artificielle haute performance (HPC-AI), ou l'analyse de données haute performance (HPDA).

Vers une amélioration des performances numériques et énergétiques

Pour sa part, Inria est plus particulièrement mobilisé sur la partie logicielle du projet. L’institut s’attache notamment à développer un nouveau nœud de calcul pour le HPC, puis à en valider les performances numériques et énergétiques. « Un supercalculateur décompose les tâches à effectuer en millions de sous-tâches, chacune d'elles étant ensuite réalisée, simultanément avec l’ensemble des autres, par un unique processeur, explique Bérenger Bramas. Les machines en utilisent actuellement deux types : les CPU (les processeurs d’unité centrale, comme on en trouve dans nos ordinateurs) et les GPU (les processeurs de cartes graphiques, très prisés par l’industrie du jeu vidéo). Nous allons nous intéresser au potentiel de nouveaux éléments, les FPGA, des cartes programmables à la demande, particulièrement bien adaptées aux algorithmes du HPC. »

Comment ordonnancer les tâches accomplies par les CPU, GPU et FPGA au sein du supercalculateur ? Comment tirer le meilleur parti de leur puissance individuelle ? Quelles performances attendre des FPGA et comment les améliorer ? Sur quels critères analyser les gains obtenus en termes d’efficacité numérique et énergétique ? Les travaux d’Inria et de ses partenaires devraient apporter des réponses tangibles, attendues par toute la communauté européenne du HPC.

Un management de projet innovant

Bérenger Bramas va travailler en étroite collaboration avec ses collègues du centre Inria de l'université de Bordeaux (Olivier Beaumont, Lionel Eyraud-Dubois, Brice Goglin, Abdou Guermouche, Raymond Namyst et Samuel Thibault) sur la question centrale de l’ordonnancement, avec un objectif : démontrer les performances des FPGA. Ils se pencheront aussi sur des aspects algorithmiques du HPC, pour lesquels sont attendus des résultats pouvant intéresser numériciens et informaticiens, en particulier en algèbre linéaire – une branche des mathématiques utile au calcul HPC – et sur la méthode FMM (une méthode numérique très prisée par les ingénieurs, car elle leur permet de réduire les temps de simulation, par exemple pour le calcul du bruit des transports aériens ou terrestres).

« Textarossa nous donne l’opportunité d’expérimenter et de tester le potentiel de nouvelles approches du HPC, souligne Bérenger Bramas. Sans cette étape, aucune innovation ne serait déployée avec confiance sur les futures machines exascales. » Innovant, le projet l’est également dans sa conduite. Les partenaires travaillent en effet dans un esprit de "codesign", dans lequel chacun apporte des compétences ou des idées, tout en adaptant ses propres développements aux résultats démontrés par d’autres. C’est en distribuant les tâches et en orchestrant efficacement leur exécution que les supercalculateurs obtiennent une force computationnelle hors du commun. Les membres du consortium Textarossa le savent parfaitement… et ils comptent bien appliquer ce principe et atteindre la même efficacité, en s’appuyant sur un management de projet agile !