"Piz Daint" calcule avec des processeurs graphiques
Avec "Piz Daint", le CSCS dispose d'un nouveau supercalculateur qui doit fournir une plus grande puissance de calcul tout en consommant moins d'énergie. Pour cela, on utilise les avantages des processeurs graphiques de l'industrie du jeu.
Le supercalculateur installé en avril au Centre suisse de calcul scientifique (CSCS) page externe"Piz Daint" est actuellement mis à niveau avec des processeurs graphiques. Lors de cette extension, l'un des deux processeurs traditionnels (CPU) de chaque n?ud de calcul est remplacé par un processeur graphique (GPU) de la société NVIDIA. Par rapport au processeur CPU, le processeur graphique a des fonctionnalités réduites, mais optimisées pour les calculs numériques. Pour simplifier, le GPU peut ainsi calculer beaucoup plus rapidement et de manière plus efficace sur le plan énergétique. L'efficacité et la puissance du nouveau supercalculateur sont également dues à un nouveau réseau de communication du fabricant d'ordinateurs Cray, qui relie les n?uds de calcul entre eux. Le nouveau système hybride est le premier de ce type et doit aider les chercheurs à calculer des modèles plus détaillés et à plus haute résolution - et ce, tout en consommant moins d'énergie.
"Compte tenu des exigences croissantes posées aux modèles, seul un changement radical d'architecture informatique nous permettra de ma?triser la consommation d'énergie dans le domaine du supercalculateur", affirme avec conviction Thomas Schulthess, directeur du CSCS. Les premiers bénéficiaires du nouveau système devraient être les scientifiques du climat et de la terre, les chercheurs en chimie, en sciences des matériaux et en nanosciences avec leurs calculs complexes, mais aussi les physiciens et les biologistes qui font tourner des applications de plus en plus gourmandes en calcul au CSCS.
Jusqu'à sept fois moins d'énergie
Selon Schulthess, les premiers tests montrent qu'une simulation climatique sur "Piz Daint" fonctionne plus de trois fois plus vite. En même temps, la consommation d'énergie de cette simulation serait sept fois plus faible que celle du calculateur CSCS "Monte Rosa". "Monte Rosa" fonctionne avec des unités centrales traditionnelles, qui ont été renouvelées il y a près de deux ans. Mais même en comparaison avec les processeurs CPU exclusivement présents auparavant dans "Piz Daint", le système hybride amélioré serait presque trois fois plus efficace sur le plan énergétique avec les processeurs GPU que sans les GPU.
Au total, les chercheurs du CSCS ont comparé quatre systèmes de supercalcul sur lesquels ont été effectués des calculs avec des codes informatiques spécifiques en chimie, en sciences des matériaux et en nanosciences, ainsi que des simulations climatiques régionales sur l'espace alpin. Les tests ont d'abord été effectués sur les quatre machines avec les codes d'origine, puis avec les nouveaux codes, spécialement con?us pour être efficaces et fonctionnant aussi bien sur les unités centrales que sur les processeurs graphiques. Les évaluations montrent que non seulement les processeurs GPU, mais aussi les algorithmes améliorés ont une influence positive sur l'efficacité énergétique et les performances.
Emprunté à l'industrie du jeu
Thomas Schulthess voit dans les processeurs GPU, issus de l'industrie du jeu et du graphisme, une opportunité de construire des supercalculateurs performants et peu gourmands en énergie. Comme ils servent en quelque sorte d'accélérateurs lors des calculs, ils ont généralement été utilisés dans le passé pour rendre les supercalculateurs encore plus rapides dans la course mondiale aux ordinateurs les plus rapides, explique-t-il. Les processeurs accélérateurs n'ont toutefois été que rarement utilisés dans des simulations réelles. Ceci parce que les processeurs graphiques ne pouvaient pas être utilisés efficacement avec des codes et des algorithmes plus anciens.
Selon lui, les choses ont changé, car plusieurs centres de calcul utilisent désormais ce type de processeurs de manière productive dans leurs supercalculateurs. Dans le cadre de la stratégie nationale pour le calcul à haute performance et sa mise en réseau (page externeStratégie HPCN) lancée par la page externeInitiative HP2C des chercheurs suisses ont également développé des algorithmes spéciaux au cours des trois dernières années. Thomas Schulthess a contribué à donner l'impulsion à Cray pour que les cartes graphiques soient également utilisées dans leur dernière génération d'ordinateurs. "Piz Daint" est le résultat de cette collaboration.
Modèles météorologiques à haute résolution
Oliver Fuhrer, Senior Scientist chez MétéoSuisse, qui a participé au développement des nouveaux codes climatiques et météorologiques, place de grands espoirs dans la nouvelle architecture hybride. Alors que MétéoSuisse dispose actuellement au CSCS de son propre ordinateur basé sur des CPU, les mêmes prévisions météorologiques sont calculées depuis le printemps en parallèle sur un prototype basé sur des GPU. Bien qu'il soit beaucoup plus petit, il ne prend que 50% de temps en plus que l'ordinateur officiel de MétéoSuisse. En même temps, la consommation d'énergie a été réduite d'un facteur 8. "Notre objectif est d'une part d'augmenter la résolution de nos prévisions météorologiques et d'autre part de calculer plusieurs fois nos modèles afin de mieux quantifier l'incertitude de nos prévisions météorologiques", explique Fuhrer.
Selon le scientifique, une sélection de simulations dans lesquelles les conditions initiales et marginales sont à chaque fois légèrement modifiées permettrait de détecter encore plus t?t le danger en cas de forts orages et d'émettre des avertissements en conséquence. Calculer de telles prévisions météorologiques d'ensemble avec une haute résolution spatiale est trop co?teux sur des CPU. Le scientifique de MétéoSuisse est en revanche convaincu qu'avec un ordinateur GPU, les co?ts resteraient raisonnables.