Superordinateur - Définition et Explications

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Introduction

Superordinateur à la NASA
Le superordinateur JET

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

La science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) des superordinateurs est appelée HPC, pour High Performance Computing, ce qui se traduit par Calcul haute performance.

Historique

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. Pendant trois...) 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...) 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...) 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 informatiques.) 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, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) (IBM) ou qu'ils aient racheté dans les années 1990 des entreprises spécialisées alors en difficulté pour acquérir de l'expérience dans ce domaine.

Ce que désigne le terme superordinateur varie avec le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) 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 exécute les programmes informatiques. Avec la...) 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,...) 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...) ou les PA-RISC. D'autres utilisent des processeurs de moindre coût d'apparence extérieure CISC 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.

Conception

Les superordinateurs tirent leur supériorité sur les ordinateurs conventionnels à la fois de leur architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.), parfois pipeline (exécution d'une instruction identique sur une longue série de données), parfois parallèle (nombre très élevé de processeurs fonctionnant chacun sur une partie du calcul) leur permettant d'exécuter plusieurs tâches simultanément, et de composants rapides. Ils sont presque toujours conçus spécifiquement pour certains types de tâche (le plus souvent les calculs numériques scientifiques : calcul matriciel ou vectoriel) et ne cherchent pas de performance particulière dans les autres domaines.

L'architecture mémorielle de leur mémoire est étudiée pour fournir en continu les 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 chaque processeur afin d'exploiter au maximum sa puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 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 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 minimum. Elle est généralement...), 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 une partie de leurs 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, regroupées sous forme de programmes, des...) et à développer des améliorations matérielles pour supprimer les goulots d'étranglement restants.

Principaux obstacles techniques

Un Superordinateur Cray-2 (vue de dessus)
  • 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...) 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 problème important 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...).
  • 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...) entre deux parties de l'ordinateur. Lorsque la taille d'un superordinateur dépasse plusieurs mètres, le temps 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...) des câbles qui relient les composants. Sur le Cray-1 ou le Cray-II, 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...).
  • Ces ordinateurs sont capables de traiter et de communiquer de très importants volumes de données en très peu de temps. La conception doit assurer que ces données puissent être lues, transférées et stockées rapidement. Dans le cas contraire, la puissance de calcul des processeurs serait sous-exploitée.
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