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jeudi, 21 juin 2007

Calcul parallèle

Avec son accord, je publie l'excellent commentaire d'Anabelle Penthélisée, usagère du blog d'Alain Lambert, en réponse au billet du Sénateur de l'Orne intitulé Calcul Parallèle

Passionnantes réflexions...

 

Le calcul parallèle (Qu'est-ce que c'est ?)


La réalisation de systèmes utilisant du calcul parallèle se traduit par des économies dans presque tous les domaines du calcul, incluant : la dynamique des fluides, les prédictions météorologique, la modélisation et simulation de problèmes de dimensions plus grandes, le traitement de l'information et l'exploration de données, le traitement d'images ou la fabrication d'images de synthèse (avec les fermes de rendu), l'intelligence artificielle et la fabrication automatisée.

Ordinateur parallèle


Le terme ordinateur parallèle est parfois utilisé en référence à un ordinateur qui possède plus d'une unité centrale de traitement et qui peut effectuer un traitement parallèle.

Il existe plusieurs types d'ordinateurs (ou de processeurs) parallèles, caractérisés, principalement, par différents modèles d'interconnexions entre les processeurs et entre les processeurs et la mémoire.

Bien qu'un système de n processeurs en parallèle ne soit pas plus efficace qu'un seul processeur ayant n fois la vitesse de l'un d'eux, le système parallèle est souvent moins coûteux à réaliser. Le calcul parallèle est, donc, une excellente solution pour des tâches exigeantes en calcul et/ou ayant des contraintes temporelles critiques (les Systèmes en temps réel). Par exemple, dans un avion de ligne, plusieurs ordinateurs effectuent en parallèle les calculs de la position de l'avion pour savoir ce que doit faire l'avion. Et s'ils ne sont pas d'accord entre eux ? Dans ce cas, ils votent.
En fait, la plupart des systèmes de calcul de haute performance (aussi appelés superordinateurs ou supercalculateurs) qui ont été conçus au cours des dernières années ont une architecture parallèle.


Technologie


Trois facteurs principaux ont contribué à la forte tendance actuelle en faveur du traitement parallèle.

La technologie des circuits a progressé à un tel point qu'il est devenu possible de fabriquer des systèmes complexes nécessitant des millions de transistors sur une seule puce.

On peut alors doubler ou tripler, voire davantage, quelques circuits de calcul sur cette même puce en la munissant de circuits de contrôle veillant à répartir les calculs entre eux, ainsi qu'à éviter les collisions que pourrait impliquer ce parallélisme.

C'est ce que l'on retrouve sur les nouveaux ordinateurs familiaux dotés de puces Intel ou AMD.

Il faut tout de même se poser la question de savoir s'il est nécessaire d'avoir une machine parallèle pour faire du traitement de texte ! Le marketing des fournisseurs d'ordinateurs ou de logiciels vont vouloir vous démontrer que vous en avez besoin, c'est en général rarement le cas.

Vitesse de traitement des ordinateurs

La vitesse des traitements séquentiels traditionnels, basés sur le modèle de von Neumann, semble s'approcher de la limite physique au-delà de laquelle il n'est plus possible d'accélérer. On peut en revanche disposer de :

* plusieurs processeurs dans la même puce,
* plusieurs puces sur la même carte mère,
* plusieurs cartes mères dans le même châssis.

C'est sur ce principe qu'est construit l'ordinateur le plus puissant du moment (2004) : Blue gene.


L'avenir


L'avenir dans le domaine de l'électronique des ordinateurs est tourné vers les nanotechnologies.
Les nanosciences et nanotechnologies peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes matériels à l'échelle du nanomètre (nm).
Les nanosciences et nanotechnologies sont transversales à plusieurs disciplines scientifiques, telles que l'optique, la biologie, l'électronique, la mécanique et la chimie qui manipulent des objets d'une taille de l'ordre du nanomètre.


En France


La politique française en faveur des nanotechnologies s'appuie sur un programme de développement des nanosciences, piloté par l'Agence nationale de la recherche et mis en oeuvre dans le cadre d'un réseau de recherche et d'innovation technologique, baptisé " RESEAU NATIONAL EN NANOSCIENCES ET EN NANOTECHNOLOGIES " (R3N), dont les trois axes principaux sont :
* le financement de plates-formes scientifiques et technologiques (" grandes centrales ")
* le financement des meilleurs projets "amont", mettant en réseau les laboratoires académiques,
* le financement des meilleurs projets "aval", mettant en réseau des laboratoires publics, des centres de recherche privés de grandes entreprises et des PME innovantes.
Et dont les thématiques principales concernent :
LES NANOBIOSCIENCES, car les nanoparticules, les technologies nanofluidiques et les biochips sont en train de révolutionner les techniques d'imagerie, de diagnostic et de soins, et sont à l'origine de l'émergence de la nanomédecine ; le CEA vient de lancer le projet de pôle "nanobio", en collaboration avec l'Université Joseph Fourier, et assure le pilotage de "Nano2Life", premier réseau d'excellence européen en nanobiotechnologies. Ce réseau d'excellence et le projet de pôle "nanobio", lancés cette année, permettront de répondre aux besoins dans le secteur en croissance rapide des "nanobiosciences".
LES NANOMATERIAUX : parmi eux, les nanotubes de carbone, déjà fabriqués en France ont des propriétés exceptionnelles : ils sont 100 fois plus résistants et 6 fois plus légers que l'acier. Ils confèrent aux matériaux dans lesquels ils sont incorporés des propriétés exceptionnelles. Les nanoparticules d'oxyde de titane sont utilisées pour la réalisation de filtres solaires dans le domaine des cosmétiques ; l'incorporation de particules de silice permet d'accroître la résistance des pneus ;
LA NANOELECTRONIQUE : grâce à l'électronique moléculaire, nous disposerons de mémoires plus importantes et plus petites pour nos ordinateurs, téléphones portables, et PDA du futur. Ils permettront d'accroître de façon spectaculaire la puissance de calcul des ordinateurs : selon les prédictions théoriques, celle-ci pourrait être multipliée par un milliard par rapport aux ordinateurs actuels ! En ce qui concerne les nanocomposants, le CEA a consacré, dès 2005, 16 millions d'euros supplémentaires aux recherches sur les technologies 300 mm ("Nanotec 300"). Au cours de l'année 2006, le pôle MINATEC a été créé. Dédié à la recherche en micro et nanotechnologies, il regroupe sur Grenoble 4000 personnes sur le site du CEA-LETI, pour un investissement total de 170 millions d'euros partagés entre le CEA, l'Etat et les collectivités. Le soutien des projets de recherche coopérative entre des laboratoires de recherche publics et des entreprises est un des axes forts de l'intervention des pouvoirs publics, avec un accompagnement à plusieurs niveaux de la part de ministères (Ministère de la Recherche et des Nouvelles Technologies et Ministère de l'Economie, des Finances et de l'Industrie) et de collectivités territoriales impliquées dans le financement des plates-formes technologiques ainsi que dans les programmes de soutien à la R&D industrielle. La présence des industries françaises dans le domaine des nanotechnologies illustre le dynamisme d'un secteur qui ne s'appuie pas uniquement sur une recherche d'excellence, mais également sur une forte capacité de valorisation et d'industrialisation.
Les entreprises françaises
De nombreuses entreprises ont déjà engagé, sur le territoire français, des programmes de recherche et développement dans le domaine des nanotechnologies. Des exemples comme ceux de ST Microelectronics, Philips et Freescale, à Grenoble mais aussi de Thales, EADS, Alcatel ou Rhodia, voire bien sûr de plus petites entreprises comme Tracit, "spin-off" du CEA, illustrent la variété et la richesse des applications possibles de ces nouvelles technologies.
Dans le domaine des nanobio : Biomérieux, L'Oréal, quelques entreprises comme ApiBio avec les puces à ADN, commencent à commercialiser les premiers produits des nanobiotechnologies. Dans le domaine des nanomatériaux, plusieurs grands groupes français parmi lesquels EADS, RHODIA, MICHELIN, L'OREAL, ATOFINA, St GOBAIN manifestent déjà leur créativité sur ce marché.

Les enjeux


Les nanotechnologies, dans le domaine de l'électronique seront une révolution plus importante encore que celle que nous avons connue avec l'arrivée du micro-ordinateur et l'Internet dans tous les ménages. Avec les nanotechnologies, les nouvelles technologies de l'électronique et de l'informatique arriveront dans des domaines ou elles n'existent pas aujourd'hui. Celui qui maîtrisera les nanotechnologies maîtrisera une bonne partie des industries de demain.

Ce sont les marchés de fabrication et produits qui innonderont le monde de demain. Il est donc important que la France en tire pleinement les bénéfices de ses capacités dans ce domaine.

La position de la France


Les nanotechnologies ont déjà quitté les laboratoires de recherche pour entrer dans le monde de l'industrie : semi-conducteurs, automobile, aéronautique, industrie pharmaceutique... Elles devraient contribuer à stimuler durablement la croissance mondiale au cours des 15 prochaines années. Pour se préparer à cette nouvelle donne, la France a organisé sa politique de soutiens publics à la R&D et à l'innovation et a mis en place des programmes ambitieux visant à encourager des collaborations entre industriels et laboratoires publics.
La France est déjà un acteur majeur du domaine des nanosciences et des nanotechnologies. C'est dans les laboratoires français et grâce aux travaux d'Albert FERT, que la magnétorésistance géante a été découverte. Elle permet de réaliser des têtes de lectures magnétiques, aujourd'hui produites au rythme de 615 millions par an. Ces têtes de lecture équipent quasiment tous les disques durs des ordinateurs.
La France se classe au cinquième rang mondial en terme de nombre de publications dans le domaine des nanosciences et l'effort financier public place la France au 2ème rang européen derrière l'Allemagne.
Depuis les années 70, le CNRS et le CEA, les deux principaux organismes de recherche en France, se sont forgés une réputation internationale de premier plan, avec des résultats notables dans le domaine des nanotechnologies. Pour dynamiser la position de la France au niveau mondial, les pouvoirs publics ont renforcé et réorganisé la recherche publique française en micro et nanotechnologies dès 1999 avec la mise en place du Réseau National de Micro-NanoTechnologies (RMNT) pour soutenir la collaboration entre recherche publique et recherche industrielle. Ce réseau est largement ouvert à des coopérations étendues avec des sociétés et des organismes de recherche étrangers intéressés à l'échange d'expériences et de compétences dans ce domaine très prometteur. Plus récemment, un réseau de grandes centrales technologiques a été créé et de nombreux projets de recherche coopérative entre laboratoires publics et entreprises ont été lancés.
Le dispositif français de recherche en nanotechnologies s'appuie sur un réseau de grandes centrales technologiques structurées pour doter la France d'une infrastructure de plates-formes de taille suffisante pour affronter les enjeux du développement des nanotechnologies dans les années à venir.
Ce réseau s'articule autour des sites du :
- MINATEC à Grenoble (qui regroupe le CEA/LETI, le CNRS, l'Institut National Polytechnique et l'Université Joseph Fourier),
- Laboratoire d'Analyses et d'Architectures des Systèmes à Toulouse (LAAS),
- Laboratoire de Photonique et de Nanostructures à Marcoussis (LPN) et Institut d'Électronique Fondamentale à Orsay (IEF) (autour de Minerve),
- Institut d'Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologies à Lille (IEMN).
La constitution de ce réseau fait l'objet d'une dotation totale de 210 millions d'euros. Ces centrales ont pour but de donner un nouvel élan au développement technologique de la filière, en activant les interfaces entre la recherche de base et la recherche finalisée. En plus des 4 grandes centrales technologiques, un second cercle composé de 8 autres centrales dotées d'équipements et d'outils spécifiques viennent compléter le réseau national.
De nombreuses entreprises ont déjà engagé, sur le territoire français, des programmes de recherche et développement dans le domaine des nanotechnologies. Des exemples comme ceux de ST Microelectronics, Philips et Freescale, à Grenoble mais aussi de Thales, EADS, Alcatel ou Rhodia, voire bien sûr de plus petites entreprises comme Tracit, "spin-off" du CEA, illustrent la variété et la richesse des applications possibles de ces nouvelles technologies.
Dans le domaine des nanobio : Biomérieux, L'Oréal, quelques entreprises comme ApiBio avec les puces à ADN, commencent à commercialiser les premiers produits des nanobiotechnologies. Dans le domaine des nanomatériaux, plusieurs grands groupes français parmi lesquels EADS, RHODIA, MICHELIN, L'OREAL, ATOFINA, St GOBAIN manifestent déjà leur créativité sur ce marché.


Conclusion


En guise de conclusion, je vais vous citez un exemple d'utilisation de calculs parallèles. Aujourd'hui
les banques française embauchent de jeunes polytechniciens spécialistes en mathématique pour calculer à tout moment ce que doit faire la banque : ces jeunes, en général spécialistes en recherche opérationnelle, utilisent du calcul parallèle et beaucoup d'équations qu'ils affinent au cours du temps, créant ainsi des modèles mathématiques d'analyse du risque des marchés financiers. Et les banques se battent à coup de modèle (sauf la BNP et la SG qui pour le moment se battent pour autre chose, mais c'est une autre histoire ...)

Imaginez, si nous pouvions prévoir l'avenir de l'évolution des cours de bourse avec un ordinateur ! Ce serait plutôt extraordinaire. Ce serait presque comme connaître les numéros du Loto avant le tirage. Dans les banques, c'est un peu plus compliqué, ils ne cherchent pas uniquement à prévoir l'avenir, mais surtout à ne pas se tromper. Ces mathématiciens cherchent une sorte d'équation unique, l'équation ultime qui permettrait de faire rentrer toute l'information disponible afin de déterminer ce qui va se passer dans le futur et décider de suite ce qu'il faut faire.
Une fois que l'équation est trouvée, il n'y a plus qu'à aller boire une limonade tranquillement !

Ces « mathématiciens banquiers » sont un peu sur la piste de la Théorie du tout, un vieux rêve de scientifique : Unifier Relativité et quantique, c'est aujourd’hui l’ultime défi des physiciens, qui rêvent depuis toujours d’une formule qui leur donnerait enfin la clé de l’Univers : Selon le physicien Stephen Hawking, si l’équation de l’Univers est un jour formulée sur papier ou disque dur, l’information contenue dans ce modèle aura forcément une existence matérielle et physique à part entière : “ Nous et nos modèles faisons tous les deux partie de l’Univers que nous décrivons ”
L’équation ultime fait donc nécessairement référence à elle-même. Elle pourrait ainsi être dans le même état que la phrase vraie et non démontrable de Gödel : bien qu’elle régisse effectivement l’ensemble des phénomènes de l’Univers, elle pourrait être impossible à formuler !

Le philosophe français Régie Debray s’est ainsi récemment aventuré à en déduire que toute société, aussi rationnelle soit-elle, a besoin d’irrationalité ...

En fait, les mathématiques sont déterministes, on peut introduire une notion de probabilité qui peut être plus ou moins grande, mais il y a une chose difficile à faire tenir, c'est l'irrationalité.

Pour Stephen Hawking, de toute façon, si le théorème de Gödel prouve que la physique théorique fondamentale ne réussira jamais à faire tenir l’Univers en une seule équation, ce sera finalement plutôt une bonne nouvelle : “ Quelques-uns seraient fort désappointés s’il n’existait pas une théorie ultime qui puisse être formulée en un nombre fini de principes. Je suis maintenant heureux que notre quête de la compréhension puisse ne jamais avoir de fin que nous ayons toujours le défi d’une nouvelle découverte à relever ”. Le passé l’a montré : qu’il soit réalisable, ou pas, le projet unificateur est motivant.
Enfin, tout ce que réalisera un ordinateur, qu'il soit parallèle ou non, sera toujours l'exécution de ce qu'un cerveau humain lui a indiqué. Puisse l'humain toujours garder le dessus sur l'utilisation qu'il fait de ces merveilleuses technologies et ne ratons pas les opportuntés de mener les industries mondiales dans ces domaines prometteurs.