Comment les électrons et les cellules sanguines s'écoulent
Les performances exceptionnelles en matière de calcul à haute performance sont récompensées chaque année par le prix Gordon Bell lors de la conférence Supercalculateur (SC). Cette année, pour la première fois, deux groupes de recherche de l'ETH Zurich figuraient sur la liste des cinq finalistes.
Les simulations sur superordinateurs soutiennent la recherche expérimentale dans de nombreux domaines scientifiques. De tels calculs sont énormément co?teux et complexes, même pour les superordinateurs les plus puissants.
Pour simuler les processus en un temps raisonnable, il faut non seulement les superordinateurs les plus puissants, mais aussi des logiciels efficaces : les professeurs de l'ETH Petros Koumoutsakos et Mathieu Luisier, tous deux nominés pour le prix Gordon Bell de cette année, ont préalablement affiné et optimisé le logiciel qu'ils utilisent à l'aide du superordinateur Piz Daint du CSCS de Lugano. Les simulations effectuées ensuite sur l'un des superordinateurs les plus rapides du monde, le superordinateur Titan du Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee, ont finalement permis aux deux chercheurs de l'ETH d'être nominés.
Cinquante fois plus rapide et plus grand
![Vue agrandie : flux d'électrons](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2015/11/gordon-bell-prize-nominationen/_jcr_content/news_content/textimage_0/image.imageformat.text50percent.1780886616.jpg)
Les professeurs de l'ETH Mathieu Luisier du Institut des systèmes intégrés et Joost VandeVondele, directeur de la Groupe Nanoscale Simulations à l'ETH Zurich ont combiné avec leurs équipes respectives deux logiciels et ont également développé un nouvel algorithme permettant d'exploiter au mieux les systèmes informatiques hybrides composés d'unités centrales traditionnelles et de processeurs graphiques (GPU). Ils sont ainsi parvenus à réduire de 50 fois le temps nécessaire à la simulation des nanocomposants et à augmenter leur taille à plus de 50 000 atomes. Le nombre d'atomes correspond à la taille réelle d'un nanocomposant. "Jusqu'à présent, les modèles à forte intensité de calcul ne permettaient en général que de simuler des systèmes composés de 1000 atomes au maximum", souligne Luisier.
Pour simuler le comportement des nanocomposants, il faut tenir compte des effets quantiques qui se produisent dans les structures minuscules. Luisier travaille depuis plus de dix ans sur un logiciel appelé OMEN. Le chercheur s'est maintenant associé à VandeVondele, qui a contribué au développement du code CP2K. Ce code est spécialisé dans la détermination de la répartition des électrons "ab-initio" - c'est-à-dire sur la base de lois physiques sans prise en compte de données empiriques - par ce que l'on appelle des fonctions d'onde dans un système fermé en soi. Les molécules qui composent un nanotransistor constituent un tel système. Mais si une tension est appliquée au transistor, les électrons le traversent. Pour simuler leur transport, OMEN calcule leur flux ainsi que l'interaction entre les électrons qui traversent le transistor. Tant les calculs ab initio des propriétés des cristaux avec CP2K que ceux du transport des électrons avec LUS sont extrêmement complexes.
En optimisant les deux codes logiciels pour les systèmes informatiques hybrides sur l'ordinateur Piz Daint et en développant un nouvel algorithme, appelé splitsolver, les doctorants Sascha Brück et Mauro Calderara ont réussi à réduire considérablement le temps de calcul et à calculer des structures de plus de 50 000 atomes. Le splitsolver permet le calcul parallèle sur les CPU et les GPU.
"Nous avons redéfini les limites dans le domaine des simulations de transport quantique à l'aide de titane", explique Luisier. "Les simulations sont si proches de la réalité qu'elles ont une utilité directe pour la recherche expérimentale sur les nanocomposants".
In-Silico Lab-on-a-Chip
![Vue agrandie : Pied de sang](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2015/11/gordon-bell-prize-nominationen/_jcr_content/news_content/textimage_1/image.imageformat.text50percent.1594574482.jpg)
La deuxième équipe de chercheurs de l'ETH nominée pour le prix Gordon Bell est dirigée par le professeur de l'ETH Petros Koumoutsakos du Laboratoire de science et d'ingénierie computationnelles (CSElab) a été dirigé. En collaboration avec des chercheurs de l'Università della Svizzera italiana, des Etats-Unis (Brown University, NVIDIA) et d'Italie (CNR et University of Rome), l'équipe a pu simuler sur du titane le flux micrométrique de globules rouges et de cellules tumorales gr?ce à un arrangement géométrique. Selon les chercheurs, cette étude redéfinit les limites des simulations de flux à travers des structures à l'échelle micrométrique, tout en améliorant les détails géométriques et le nombre de cellules de deux ordres de grandeur..
Les informaticiens ont ainsi pu reproduire des expériences de laboratoire (lab-on-a-chip) menées par d'autres chercheurs, qui étudient comment filtrer les cellules tumorales dans le sang via de tels procédés.
Comme dans l'expérience, la simulation montre du sang qui passe à travers un système de colonnes disposées en rangées, d'une section et d'une taille déterminées. Les globules rouges, qui ne mesurent qu'environ huit micromètres, se déplacent imperturbablement à travers ces dispositions en raison de leur conception et de la géométrie des colonnes. Les cellules tumorales, environ trois fois plus grandes, entrent toutefois en collision de manière répétée avec les colonnes, ce qui les fait tourner et les fait progressivement dériver latéralement hors de la disposition. Elles peuvent ainsi être séparées du flux sanguin et identifiées.
Chercher une cellule tumorale dans le sang, c'est comme chercher une aiguille dans une botte de foin qui coule, dit Koumoutsakos : dans un milliard de globules rouges, il y a une cellule tumorale. Or, les cellules tumorales dans le sang sont responsables du fait que 90 pour cent des huit millions de victimes du cancer meurent chaque année de métastases. Par millilitre de sang, l'être humain compte entre quatre et six milliards de globules rouges. De tels dispositifs de séparation pourraient donc être utilisés pour le diagnostic, et peut-être même un jour pour éliminer les cellules tumorales du sang.
Le "In-Silico Lab-on-a-Chip", comme Koumoutsakos appelle la simulation, reproduit les expériences de laboratoire et les étaye. Le professeur de l'ETH est convaincu que de telles simulations numériques peuvent aider l'industrie pharmaceutique.
Coup de projecteur sur le cancer
Koumoutsakos et son équipe se consacrent depuis plus d'une décennie à l'étude des processus impliqués dans la croissance tumorale. Après avoir simulé l'angiogenèse, c'est-à-dire la manière dont les cellules tumorales stimulent la croissance des vaisseaux sanguins et permettent ainsi le transport de ces cellules dans la circulation sanguine, son objectif suivant était de simuler le flux sanguin dans les capillaires du système sanguin. Il voulait ainsi rendre visible la manière dont les cellules y interagissent. "Mais le problème, c'est que les vaisseaux sanguins générés par la tumeur sont tellement imbriqués les uns dans les autres qu'il n'existe pas de bonne description à ce sujet. C'est pourquoi nous ne sommes pas en mesure de les reconstruire dans les simulations", explique Koumoutsakos.
Après avoir vu les expériences réelles de séparation des cellules tumorales, il a eu l'idée d'utiliser ce moyen pour étudier le comportement des cellules dans le sang. George Karniadakis de l'université de Brown avait le savoir-faire nécessaire pour simuler ce qu'on appelle la dynamique dissipative des particules, qui permet de simuler le flux sanguin comme une sorte de collection de particules individuelles. Diego Rossinelli du CSElab et d'autres membres de l'équipe ont assemblé les approches en un modèle et ont optimisé les codes avant de réussir la simulation sur Titan.
Prix Gordon Bell
Le "Gordon Bell Prize", fondé par l'Association for Computing Machinery depuis 1987 et nommé d'après le célèbre ingénieur informatique du même nom et pionnier dans le domaine du calcul haute performance, est décerné depuis 1987 lors de la Supercomputer Conference (SC) qui a lieu chaque année aux Etats-Unis. Doté de 10'000 dollars, il récompense des réalisations majeures dans le domaine du calcul haute performance. Il vise à encourager et à faire progresser le développement du calcul massivement parallèle, dans lequel plusieurs opérations de calcul sont effectuées simultanément en parallèle.
Ce texte de Simone Ulmer, Editor Science & Technology au CSCS, est paru pour la première fois sur le site page externeCSCS.