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Superordinateur

Un superordinateur (ou supercalculateur) est un ordinateur conçu pour atteindre les plus hautes performances possibles avec les technologies connues lors de sa conception, en particulier en terme de vitesse (On distingue :) de calcul.

Historique

CDC 6600 avec sa console
CDC 6600 avec sa console

Les premiers superordinateurs sont apparus dans les années 1960, conçus par Seymour Cray (Seymour Roger Cray (28 septembre 1925 à Chippewa Fall dans le Wisconsin - 5 octobre 1996), ingénieur de génie, a conçu plusieurs superordinateurs et fonda la société qui porte son nom, Cray Research....) pour le compte de la société Control Data Corporation (CDC), premier constructeur mondial de superordinateur (Un superordinateur (ou supercalculateur) est un ordinateur conçu pour atteindre les plus hautes performances possibles avec les technologies connues lors de sa conception, en particulier en terme de vitesse de...) jusque dans les années 1970. Cray Research, fondée par Seymour Cray après son départ de CDC, prit alors l'avantage sur CDC et ses autres concurrents jusqu'en 1990. Dans les années 1980, à l'image de ce qui s'était produit sur le marché des miniordinateurs une décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.) plus tôt, de nombreuses petites sociétés se sont lancées sur ce marché, mais la plupart ont disparu dans le " crash " du marché des superordinateurs au milieu des années 1990. De nos jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et...) les superordinateurs sont le plus souvent conçus comme des modèles uniques par des constructeurs informatiques " traditionnels " comme IBM (International Business Machines Corporation (IBM) est une société multinationale américaine présente dans les domaines du matériel informatique, du logiciel et des services...) et HP qu'ils aient derrière eux une longue tradition en la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) (IBM) ou qu'ils aient racheté dans les années 1990 des entreprises spécialisées alors en difficulté pour acquérir de l'expérience dans ce domaine.

Le terme superordinateur lui-même reste assez vague (Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les vagues sont générées par le vent et ont une...) et évolutif, car les ordinateurs les plus puissants du monde (Le mot monde peut désigner :) à un moment donné tendent à être égalés puis dépassés par des machines d'utilisation courante. Les premiers superordinateurs CDC étaient de simples ordinateurs mono-processeurs (mais possédant parfois jusqu'à dix processeurs périphériques pour les entrées-sorties) environ dix fois plus rapides que la concurrence. Dans les années 1970 la plupart des superordinateurs ont adopté un processeur (Le processeur, ou CPU (de l'anglais Central Processing Unit, « Unité centrale de traitement »), est le composant de l'ordinateur qui...) vectoriel, qui effectue le décodage d'une instruction (Une instruction est une forme d'information communiquée qui est à la fois une commande et une explication pour décrire l'action, le comportement, la méthode ou la tâche qui devra commencer, se terminer, être conduit, ou exécuté.) une seule fois pour l'appliquer à toute une série d'opérandes. C'est seulement vers la fin des années 1980 que la technique des systèmes massivement parallèles a été adoptée, avec l'utilisation dans un même superordinateur de milliers de processeurs. De nos jours certains de ces superordinateurs parallèles utilisent des microprocesseurs RISC conçus pour des ordinateurs de série, comme les PowerPC (Le PowerPC est une architecture de microprocesseurs développée conjointement par Apple, IBM et Freescale (ex-Motorola Semiconducteurs). Elle utilise un modèle RISC, privilégiant pipeline et jeu d'instructions...) ou les PA-RISC. D'autres utilisent des processeurs de moindre coût d'apparence extérieure CISC, mais microprogrammés en RISC dans la puce (AMD, Intel) : le rendement en est un peu moins élevé, mais le canal d'accès à la mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) - souvent goulet d'étranglement - est bien moins sollicité.

Utilisation

Les superordinateurs sont utilisés pour toutes les tâches qui nécessitent une énorme puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de calcul comme les prévisions météorologiques, l'étude du climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une région donnée pendant une période de temps donnée. Il se distingue de la météorologie qui désigne...), la modélisation moléculaire (La modélisation moléculaire est un ensemble de techniques pour modéliser ou imiter le comportement de molécules.) (calcul des structures et propriétés de composés chimiques...), les simulations physiques (simulations aérodynamiques, calculs de résistance des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), simulation d'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la matière...) d'arme nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), étude de la fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des deux principaux types de réactions nucléaires...)...), la cryptanalyse, etc.

Les institutions de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) civiles et militaires comptent parmi les plus gros utilisateurs de superordinateurs. En France, on trouve ces machines dans les centres nationaux de calculs universitaire tel que l'IDRIS, le CINES, mais aussi au CEA. Actuellement (janvier 2006), le plus puissant supercalculateur français est le TERA-10 développé par Bull (Bull est une société française spécialisée dans l'informatique professionnelle.) et générant 60 teraflops.

Auparavant, le plus puissant supercalculateur français était l'AlphaServer SC45 1 GHz appartenant au CEA, est classé 41e en novembre 2004 (il était 4e mi-2002)

Conception

Les superordinateurs tirent leur supériorité sur les ordinateurs conventionnels à la fois d'une architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) innovante leur permettant d'exécuter plusieurs tâches simultanément, et d'une étude poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) pour améliorer tous les composants de l'ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données sous forme...). Ils sont le plus souvent conçus spécifiquement pour certains types de tâche (le plus souvent les calculs numériques scientifiques) et offrent des performances très limitées pour d'autres tâches.

Leur architecture mémoire fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) d'une attention particulière pour fournir en continu suffisamment de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) à traiter à chaque processeur afin d'exploiter au maximum sa puissance de calcul. Les performances mémoire supérieures (meilleurs composants et meilleure architecture) expliquent pour une large part l'avantage des superordinateurs sur les ordinateurs classiques.

Leur système d'entrée/sortie est généralement conçu pour fournir une large bande passante (La bande passante (angl. bandwidth) est un intervalle de fréquences pour lesquelles la réponse d'un appareil est supérieure à un...), la latence étant moins importante puisque ce type d'ordinateur n'est pas conçu pour traiter des transactions.

Comme pour tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) système parallèle, la loi d'Amdahl s'applique, et les concepteurs de superordinateurs consacrent beaucoup d'efforts à éliminer les parties non parallélisables du logiciel (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements effectués automatiquement par un appareil informatique. Y sont inclus les instructions de traitement,...) et à développer des améliorations matérielles pour supprimer les goulots d'étranglement restants.

Principaux obstacles techniques

  • Les superordinateurs produisent une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) et doivent être refroidis pour fonctionner normalement. Le refroidissement de ces ordinateurs pose souvent un gros problème de climatisation (La climatisation est la technique qui consiste à modifier, contrôler et réguler les conditions climatiques (température, humidité, niveau de poussières, etc.) d’un local pour des raisons de confort...).
  • L'information ne peut circuler plus vite que la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène ondulatoire),...) entre deux parties de l'ordinateur. Lorsque la taille d'un superordinateur dépasse plusieurs mètres, le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de latence entre certains composants se compte en dizaines de nanosecondes. Les éléments sont donc disposés pour limiter la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) des câbles qui relient les composants. Sur le Cray-1, par exemple, ils étaient disposés en cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est appelée...).
  • Ces ordinateurs sont capables de traiter et de communiquer de très importants volumes de données en très peu de temps. Un important travail de conception est nécessaire pour s'assurer que ces données puissent être lues, transférées et stockées rapidement. Dans le cas contraire la puissance de calcul des processeurs serait sous-exploitée.

Historique des records

Date Superordinateur Constructeur Type de processeurs/fréquence Nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) Puissance réelle (en FLOPS) Emplacement
1906 Machine Analytique Charles Babbage (Charles Babbage (né le 26 décembre 1791 à Teignmouths, Devonshire, Angleterre, mort le 18 octobre 1871) était un mathématicien britannique et le précurseur de l'informatique.) 0,3 Flops (FLOPS (ou flops ou flop/s) est un acronyme signifiant « opérations à virgule flottante par seconde » (en anglais, FLoating point Operations Per Second). Le nombre...) Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni. Elle est de loin la plus peuplée, avec 50 763 000 habitants (en 2006), qui...)
1938 Z1 Konrad Zuse 1 Flops chez Konrad Zuse, Allemagne
1939 Z2 Konrad Zuse 5 Flops chez Konrad Zuse, Allemagne
1941 Z3 Konrad Zuse 5,33 Hz 20 Flops Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt, Allemagne
1942 Heath Robinson TRE 200 Flops Bletchley Park, Angleterre
1943 Colossus Mk I TRE 5 kFlops Bletchley Park, Angleterre
1944 Colossus Mk II TRE 5 kFlops Bletchley Park, Angleterre
1946 ENIAC 100 kHz 50 kFlops Aberdeen Proving Ground, États-Unis
1956 TX-0 83 kFlops Massachusetts Institute of Technology, États-Unis
1958 SAGE IBM 400 kFlops United States Air Force (L’United States Air Force (ou US Air Force, ou bien USAF) est l'armée de l'air des États-Unis. Sa mission est la défense des États-Unis par le contrôle de l'air et de l'espace.), États-Unis
1960 UNIVAC LARC 500 kFlops Lawrence Livermore National Laboratory, États-Unis
1961 IBM 7030 IBM 1,2 MFlops Los Alamos National Laboratory, États-Unis
1964 CDC 6600 3 MFlops Lawrence Livermore National Laboratory, États-Unis
1969 CDC 7600 36 MFlops Lawrence Livermore National Laboratory, États-Unis
1974 Star-100 CDC 100 MFlops Lawrence Livermore National Laboratory, États-Unis
1975 ILLIAC IV Burroughs 150 MFlops Ames Research Center (Le Ames Research Center est situé à Moffett Field, en Californie au cœur de la « Silicon Valley ».) (NASA), États-Unis
1981 Cyber-205 CDC 400 MFlops plusieurs endroits dans le monde
1983 X-MP4 Cray/SGI Cray Vector X-MP 416 820 MFlops plusieurs endroits dans le monde
1984 M-13 2,4 GFlops Scientific Research Institute of Computer Complexes, URSS
1985 Cray-2/8 3,9 GFlops Lawrence Livermore National Laboratory, États-Unis
1989 ETA10-G/8 10,3 GFlops Florida State University, États-Unis
1993 CM-5 TMC TMC CM5 1024 59,7 GFlops Los Alamos National Laboratory, États-Unis
1993 Numerical Wind (WIND est un satellite de la NASA lancé le 1er novembre 1994 depuis la base de Cape Canaveral par un lanceur Delta II. De forme cylindrique de 2,4 mètres de diamètre pour 1,8...) Tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction...) Fujitsu Fujitsu VPP500 140 124,5 GFlops National Aerospace Lab, Japon
1994 XP/S140 Intel Intel Paragon 3680 143,4 GFlops Sandia National Labs, USA
1994 Numerical Wind Tunnel Fujitsu Fujitsu VPP500 140 170,4 GFlops National Aerospace Lab, Japon
1996 SR2201 Hitachi Hitachi SR2201 1024 220,4 GFlops Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Tokyo, Japon
1996 CP-PACS Hitachi Hitachi SR2xxx CP-PACS 2048 368,2 GFlops Center for Computational Physics, Japon
1997 ASCI Red Intel Intel Paragon ASCI-Red 7264 1,07 TFlops Sandia National Laboratories, États-Unis
1997 ASCI Red Intel Intel Paragon ASCI-Red 9152 1,34 TFlops Sandia National Laboratories, États-Unis
1999 ASCI Red Intel Intel Paragon ASCI-Red 9472 2,12 TFlops Sandia National Laboratories, États-Unis
1999 ASCI Red Intel Intel Paragon ASCI-Red 9632 2,38 TFlops Sandia National Laboratories, États-Unis
2000 ASCI White IBM IBM POWER3 375 MHz 8192 4,94 TFlops Lawrence Livermore National Laboratory, États-Unis
2001 ASCI White IBM IBM POWER3 375 MHz 8192 7,23 TFlops Lawrence Livermore National Laboratory, États-Unis
2002 Earth Simulator NEC NEC SX6 1000 MHz 5120 35,86 TFlops Yokohama Institute for Earth Sciences, Japon
16/09/2004 Blue Gene/L IBM PowerPC 440 700 MHz 16384 36,01 TFlops IBM, États-Unis
26/10/2004 Columbia SGI Intel Itanium 2 1500 MHz 8192 42,7 TFlops Ames Research Center (NASA), États-Unis
11/2004 Columbia SGI Intel Itanium 2 1500 MHz 10160 51,87 TFlops Ames Research Center (NASA), États-Unis
11/2004 Blue Gene/L IBM PowerPC 440 700 MHz 32768 70,7 TFlops IBM, États-Unis
24/3/2005 Blue Gene/L IBM PowerPC 440 700 MHz 65536 135,5 TFlops IBM, États-Unis
27/10/2005 Blue Gene/L IBM PowerPC 440 700 MHz 131072 280,6 TFlops IBM, États-Unis
Juin 2006 RIKEN MDGRAPE-3 RIKEN, SGI, Hitachi, intel MDGRAPE-3 4808 1 PFlops RIKEN, Japon

Systèmes d'exploitation pour superordinateurs

  • Linux (Au sens strict, Linux est le nom du noyau de système d'exploitation libre, multitâche, multiplate-forme et multi-utilisateur de type UNIX créé par Linus Torvalds, souvent désigné comme le noyau Linux. Par extension, Linux désigne...) devient aujourd'hui massivement multiprocesseurs, et est le système équipant la très grande majorité (75,20 %) des 500 supercalculateurs les plus puissants de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en...)[1] ;
  • Unix perd progressivement du terrain face à Linux, mais occupe encore une place de choix sur le marché des supercalculateurs (17,20 %) ;
  • BSD et Mac OS (Mac OS (pour Macintosh Operating System) est le nom du système d'exploitation d'Apple pour ses ordinateurs Macintosh. Il est surtout connu pour être le premier système grand public ayant une...) sont très peu représentés (0,60 % chaque) ;
  • Windows (Windows est une gamme de systèmes d'exploitation produite par Microsoft, principalement destinées aux machines compatibles PC. C'est le remplaçant de MS-DOS. Depuis les années 1990, avec la sortie de...) ne peut gérer qu'au maximum 2 processeurs, sauf dans certaines versions " serveur " spécifiques, lui permettant de gérer selon les versions 4, 8 ou 32 processeurs. Il est inexistant sur le marché des supercalculateurs (aucun des 500 supercalculateurs les plus puissants de la planète ne fait tourner Windows).
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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