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Sep 04, 2023

Limiter le carbone des supercalculateurs asiatiques

Conception de processeur réfléchie, programmation optimisée et solide soutien gouvernemental

Une conception de processeur réfléchie, une programmation optimisée et un solide soutien gouvernemental contribuent à rendre les écosystèmes informatiques à haute performance plus durables.

AsianScientist (11 avril 2023) - Lorsque Pixar et Disney ont partagé pour la première fois un aperçu de leur film d'animation Monsters University de 2013, les fans ont rapidement remarqué un détail frappant : la fourrure recouvrant Sulley, l'un des deux protagonistes du film, était extrêmement réaliste.

Des millions et des millions de minuscules brins de fourrure se balançaient de manière convaincante chaque fois que le gentil géant bougeait ses membres, et même froissés sous une chemise serrée, comme on s'y attendait. Le secret des animateurs ? Un superordinateur qui se serait classé parmi les plus rapides au monde à l'époque, redessinant automatiquement chaque brin de fourrure et le laissant capter et refléter la lumière à chaque image de mouvement.

Les machines de bureau ordinaires n'ont pas les prouesses de traitement pour réaliser ce type d'animation - en fait, même les versions haut de gamme auraient eu des problèmes avec cela. Mais les animateurs ont révélé que Sulley et d'autres monstres du film, ainsi que chaque texture, ombrage et cadre, doivent leur existence nette et vivante au calcul haute performance (HPC).

Capable de gérer facilement des milliards de calculs, il s'agit du même type de technologie qui est exploitée pour prédire les tsunamis, stimuler l'innovation dans le domaine de la santé et étudier l'origine des trous noirs super massifs. Combinant des processeurs puissants, des logiciels sophistiqués et d'autres technologies informatiques de pointe, HPC emploie des milliers de nœuds informatiques travaillant simultanément pour effectuer des tâches informatiques extrêmement complexes beaucoup plus rapidement qu'un ordinateur ordinaire.

Il n'y a qu'un seul problème. Une grande puissance de calcul s'accompagne d'une grande responsabilité énergétique. Même si les systèmes HPC aident à résoudre certains des problèmes les plus urgents de la société au cours de la décennie écoulée depuis l'Université Monsters, ils posent un autre problème : leur empreinte carbone massive.

Pour équilibrer la puissance de calcul et la durabilité, les supercalculateurs à travers l'Asie sont de plus en plus conçus avec des processeurs et une programmation plus économes en énergie. Pendant ce temps, les gouvernements prennent conscience du besoin de sources d'énergie et de politiques plus durables alors qu'ils façonnent leurs écosystèmes HPC en pleine croissance.

L'un des principaux moteurs des émissions de carbone HPC est leur forte demande énergétique. Après tout, il doit y avoir un flux d'énergie fiable et robuste pour supporter une puissance de calcul aussi intense. Le système HPC derrière Monsters University, par exemple, comprenait 2 000 ordinateurs totalisant 24 000 cœurs. Malgré cette puissance de calcul, le film a tout de même pris plus de 100 millions d'heures CPU pour être entièrement rendu. Pendant tout ce temps, la facture d'électricité de Pixar n'a cessé d'augmenter.

De plus, le système Frontier, le supercalculateur le plus puissant du monde en novembre 2022, a besoin de plus de 20 MW de puissance pour ses plus de 8,7 millions de cœurs, soit suffisamment pour alimenter quelque 52 600 foyers à Singapour pendant un mois.

Au total, le simple fait d'alimenter les 500 meilleurs superordinateurs du monde pompe environ deux millions de tonnes métriques de dioxyde de carbone par an, ce qui équivaut à environ 285 000 foyers.

De plus, toute comptabilité honnête du bilan environnemental des systèmes HPC devrait faire le point sur l'ensemble de l'écosystème des technologies qui le prennent en charge. Après tout, les machines informatiques elles-mêmes ne forment qu'une partie, quoique centrale, de l'équation.

La majeure partie de l'énergie qui circule dans les supercalculateurs est dissipée sous forme de chaleur. Pour gérer les températures et assurer le bon fonctionnement des machines, les installations informatiques utilisent des mécanismes de refroidissement élaborés, eux-mêmes souvent très énergivores.

Les données sont une autre source périphérique d'émissions de carbone dans les systèmes HPC. L'Agence internationale de l'énergie a estimé qu'en 2021, les centres de données dans le monde ont utilisé entre 220 et 321 TWh d'énergie, soit suffisamment pour éclipser la consommation de certains pays. Compte tenu de la dépendance croissante du monde aux systèmes HPC, le professeur Tan Tin Wee, directeur général du National Supercomputing Center (NSCC) de Singapour, a prédit que jusqu'à 10 % de la consommation mondiale d'énergie proviendrait des opérations des centres de données à l'avenir. "La consommation d'énergie sera un énorme problème", a déclaré Tan à Supercomputing Asia.

Une solution majeure pour les coûts énergétiques élevés des systèmes HPC est de maximiser l'efficacité énergétique du calcul, a expliqué le professeur Satoshi Matsuoka, directeur du RIKEN Center for Computational Science, dans une interview avec Supercomputing Asia. L'objectif, a-t-il dit, devrait être de maintenir la consommation d'énergie au niveau le plus bas possible tout en trouvant des moyens d'obtenir de meilleures performances.

RIKEN abrite le supercalculateur Fugaku, développé par la société japonaise Fujitsu. Depuis que Fugaku a fait ses débuts en 2020, il a toujours été en tête de la liste TOP500 des supercalculateurs les plus rapides au monde. Bien qu'il ait été détrôné par Frontier en juin 2022, Fugaku reste un concurrent sérieux pour le supercalculateur le plus puissant et le plus économe en énergie au monde, en particulier si l'on considère ses conditions d'utilisation réelles.

Selon Matsuoka, une grande partie de ce qui sous-tend le pouvoir de Fugaku est une conception réfléchie et ciblée. "Tout d'abord, nous devions le concevoir efficacement", a-t-il déclaré, notant que parce qu'ils savaient que le supercalculateur serait utilisé pour la recherche sur la durabilité, ils ont spécifiquement construit ses composants pour atteindre des performances informatiques optimales tout en supprimant d'autres fonctions superflues. "La machine a été construite avec un état d'esprit pour économiser de l'énergie."

Le cœur de Fugaku - et en grande partie responsable de son extrême efficacité énergétique - est le processeur A64FX, qui a également été développé par Fujitsu.

Une seule puce A64FX contient 48 cœurs de calcul répartis sur quatre groupes de mémoire centrale (CMG). Chaque CMG peut également contenir jusqu'à un noyau supplémentaire chacun, qui fonctionne comme un assistant. Dans le langage des processeurs, un cœur est une petite unité de traitement qui peut effectuer des tâches informatiques indépendamment des autres cœurs. La grande majorité des utilisateurs d'ordinateurs seront bien servis par des machines à deux ou quatre cœurs. A64FX augmente ses performances en ayant 48.

Chaque cœur de l'A64FX a une vitesse d'horloge de 1,8 à 2,2 Ghz, ce qui signifie que chaque cœur peut effectuer 1,8 à 2,2 milliards de cycles par seconde. Certaines tâches informatiques plus simples peuvent être effectuées en un cycle, tandis que des instructions plus complexes nécessitent plusieurs cycles. Bien qu'un peu simplistes, des vitesses d'horloge plus élevées se traduisent généralement par des performances informatiques supérieures.

Matsuoka a noté qu'en dehors du processeur de Fugaku, le réseau lui-même est très efficace. Là où les cartes réseau commerciales utilisent jusqu'à 25 à 30 W par nœud, les réseaux Ethernet sur cuivre de Fugaku utilisent 10 à 20 W par nœud.

La conception de Fugaku comprend également des fonctionnalités de contrôle de puissance précises pour les utilisateurs. Alors que la plupart des processeurs fonctionnent en ayant tous les nœuds de calcul activés ou désactivés en même temps, Fugaku peut être configuré pour exécuter uniquement les parties pertinentes pour une certaine tâche. "Cela contribue à des économies importantes en termes de consommation d'énergie", a déclaré Matsuoka.

Ces caractéristiques, ainsi que d'autres innovations techniques, ont permis au supercalculateur Fugaku de briser les barrières de performance et d'économie d'énergie. Comparé à l'ordinateur K, un ancien supercalculateur Fujitsu qui a été mis hors service en 2019, Matsuoka a estimé que Fugaku est environ 70 fois plus puissant en termes de performances en utilisation réelle. "Mais la consommation d'énergie n'a augmenté que de 20 à 30 %", a-t-il expliqué. "Ainsi, par rapport à son prédécesseur, l'efficacité énergétique de Fugaku est presque un facteur de 50."

L'efficacité maximale est également l'objectif de MN-3, un supercalculateur développé par la société japonaise Preferred Networks, en collaboration avec l'Université de Kobe.

En fait, malgré les chiffres incroyables de Fugaku, MN-3 l'éclipse confortablement en termes d'efficacité énergétique. Selon les propres chiffres de Fujitsu, pour chaque watt d'énergie, Fugaku peut effectuer environ 15 milliards de calculs. Avec la même quantité d'énergie, MN-3 peut effectuer près de 41 milliards, soit plus du double de l'efficacité.

Cette statistique impressionnante a toujours placé le MN-3 parmi les supercalculateurs les plus efficaces au monde, selon le Green500, un classement semestriel qui répertorie les machines en termes d'efficacité énergétique. Le MN-3 a décroché la première place des listes de novembre 2021, juin 2021 et juin 2020.

« MN-3 est actuellement alimenté par 128 processeurs MN-Core et 1 536 processeurs Intel Xeon. Il se compose de 32 nœuds avec 4 processeurs MN-Core dans chacun », a expliqué le Dr Yusuke Doi, vice-président de l'infrastructure informatique chez Preferred Networks, dans une interview avec Supercomputing Asia.

Cependant, "la principale raison pour laquelle MN-3 a été trois fois en tête de la liste Green500 est précisément qu'il utilise MN-Core, qui est spécialisé pour le calcul matriciel requis pour l'apprentissage en profondeur, au lieu des GPU", a-t-il ajouté.

MN-Core est un accélérateur conçu avec une architecture hiérarchique et livré dans un package à quatre matrices. Chaque dé a quatre blocs de niveau deux, qui sont ensuite divisés en huit blocs de niveau un. À leur tour, les blocs de niveau un abritent 16 blocs arithmétiques matriciels, qui contiennent eux-mêmes quatre éléments de traitement chacun.

À chaque niveau, chaque bloc est connecté à des réseaux uniques sur puce, qui peuvent diffuser, agréger ou collecter des données à chaque niveau hiérarchique. Différentes parties d'un grand ensemble de données peuvent être distribuées à différentes parties du bloc, ce qui permet un traitement et un calcul très efficaces.

Preferred Networks a également utilisé des optimisations logicielles qui ont libéré tout le potentiel du matériel de MN-Core et ont contribué à pousser encore plus haut les chiffres d'efficacité énergétique de MN-3.

En particulier, la société a proposé le compilateur MN-Core, un programme qui traduit le code informatique de haut niveau dans un autre langage plus convivial pour les machines. Il a été conçu avec deux objectifs principaux : minimiser le besoin de modifications côté utilisateur et maximiser les fonctionnalités de MN-Core pour atteindre des performances de calcul optimales.

Plus précisément, le compilateur devait trouver la manière optimale de mapper les calculs sur chaque unité de calcul dans la structure hiérarchique du MN-Core. Étant donné que l'accélérateur n'utilise qu'un seul flux d'instructions, le programme devait également assurer un flux constant de données pour pousser les performances aussi près que possible de son maximum théorique.

Le résultat final est un logiciel qui contrôle fortement le matériel et peut dicter la manière dont les calculs seront effectués pour atteindre une efficacité maximale. "Dans MN-Core, ce qui est conventionnellement décidé et traité au sein du matériel est automatiquement exposé au côté logiciel, et le logiciel peut contrôler manuellement les détails du calcul dans le matériel en "mode manuel" pour optimiser la consommation d'énergie", a expliqué Doi.

Cela reflète la philosophie de base de Preferred Networks : réaliser la véritable promesse du matériel grâce à une conception logicielle intelligente. "Tant qu'ils sont correctement contrôlés par le logiciel, cela peut libérer le véritable potentiel du silicium", a déclaré Doi.

Malgré les efforts de développement durable de sociétés telles que Fujitsu et Preferred Networks, qui transforment l'industrie, certains facteurs cruciaux restent au-delà du pouvoir des entités privées.

Par exemple, pour évaluer le bilan des émissions de carbone d'un supercalculateur, il ne suffit pas d'examiner la quantité d'énergie qu'il utilise ou l'efficacité avec laquelle il peut effectuer des calculs. Il est également important de prendre en compte le mix énergétique de leur pays. Les systèmes HPC dans les pays alimentés principalement par des énergies renouvelables seront plus durables que ceux des territoires encore dépendants des combustibles fossiles, c'est pourquoi Matsuoka a partagé qu'une partie de la mission de Fugaku est d'aider le Japon à développer sa production d'énergie éolienne et solaire offshore. Mais tous les pays ne sont pas en mesure de suivre le rythme.

Selon l'Autorité du marché de l'énergie (EMA) de Singapour, environ 95 % de l'électricité du pays provient du gaz naturel. C'est la forme d'énergie fossile la plus propre, mais c'est néanmoins une source à forte intensité de carbone. L'EMA estime que Singapour continuera de dépendre du gaz naturel dans un avenir prévisible, mais continue de rechercher et d'investir dans des alternatives plus durables, comme l'énergie solaire.

En plus de développer des sources d'énergie plus propres, les gouvernements ont également le pouvoir de façonner les écosystèmes HPC de leurs pays, en proposant des politiques qui pourraient les aider à répondre aux demandes des consommateurs et de l'industrie tout en les maintenant conformes aux objectifs d'émissions.

Au Japon, par exemple, le gouvernement a annoncé des subventions substantielles pour aider les centres de données à moderniser durablement leurs installations. Le pays envisage également de concentrer ces centres gourmands en énergie dans les régions les plus froides du pays, ce qui pourrait contribuer à réduire les besoins en électricité des systèmes de refroidissement.

Pendant ce temps, le gouvernement de Singapour a suspendu l'approbation et la construction de nouveaux centres de données en 2019, soulignant leur empreinte énergétique de 350 MW. Le moratoire a pris fin en 2022 et a permis aux responsables de créer de nouveaux principes directeurs pour aller de l'avant.

Selon les nouvelles règles, seules les installations qui respectent des normes internationales strictes, utilisent les meilleures technologies d'efficacité énergétique et présentent des plans clairs pour intégrer les énergies renouvelables et d'autres voies énergétiques innovantes dans leurs opérations seront certifiées. Ces mesures aideront Singapour à équilibrer le besoin croissant de centres de données avec la nécessité de répondre à la crise climatique urgente.

Cependant, les technologies et les circonstances évoluent constamment. Ce qui peut être le meilleur de sa catégorie aujourd'hui pourrait être inefficace demain ; les objectifs carbone cette année pourraient être insuffisants l'année prochaine. Face à ces incertitudes, Singapour a créé un bon précédent pour elle-même et un bon exemple pour le reste de l'Asie : appuyez sur le bouton pause, faites le point sur les nantis et les démunis et tracez une meilleure voie à suivre.

Quant au NSCC, une installation de supercalcul financée par le gouvernement, son directeur général, le professeur Tan Tin Wee, a souligné que son rôle était de montrer l'exemple. Au cours des sept dernières années, son équipe a mis au point des techniques de refroidissement moins chères et plus efficaces qui ont réduit la consommation d'énergie de leurs systèmes HPC - une entreprise cruciale pour le supercalcul dans un pays tropical. "Nous pouvons continuer à essayer de nouvelles choses, ce que les centres de données commerciaux n'ont pas le luxe de faire", a expliqué Tan. "Si nous pouvons montrer aux autres que nous pouvons le faire, alors le reste de la communauté peut suivre."

Ces techniques ont été appliquées au plus récent supercalculateur du NSCC, l'ASPIRE 2A. Conçu sur la base des leçons de l'ASPIRE 1, l'ASPIRE 2A a un PUE (ou efficacité de l'utilisation de l'énergie, une mesure utilisée pour mesurer l'efficacité énergétique d'un centre de données) de près de 1,08. Les centres de données typiques de la région ont un PUE de 2.

Déjà, ces innovations ont reçu une reconnaissance bien méritée. Le centre de données NUS-NSCC i4.0, qui abrite l'ASPIRE 2A, a reçu le prix Platinum Green Mark de la Building & Construction Authority (BCA) pour les centres de données en 2021 et le prix W.Media Southeast Asia Cloud & Datacenter (DC) pour l'innovation en matière d'efficacité énergétique en 2022.

Pour continuer à améliorer l'efficacité énergétique de ses systèmes, le NSCC exécute également des simulations de ses propres superordinateurs. De cette manière, a déclaré Tan, "les superordinateurs ne sont pas seulement un contributeur, mais une solution au problème lui-même".

Que les systèmes HPC soient utilisés pour créer les monstres animés les plus réalistes ou pour pousser à la pointe des connaissances scientifiques, il est important de s'assurer que leurs émissions sont conformes aux objectifs de durabilité de la planète. Les innovations de l'Asie en matière de processeurs, de programmation et de politiques ont montré que cela est possible.

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Cet article a été publié pour la première fois dans la version imprimée de Supercomputing Asia, janvier 2023.Cliquez ici pour vous abonner au magazine Asian Scientist en version imprimée.

Droit d'auteur : magazine scientifique asiatique.

Avis de non-responsabilité : cet article ne reflète pas nécessairement les opinions d'AsianScientist ou de son personnel.

#Captage du carbone #Émissions de carbone #Empreinte carbone #Calcul haute performance

Tristan est un écrivain scientifique indépendant basé à Metro Manila, avec environ sept ans d'expérience dans l'écriture sur la médecine, la biotechnologie et l'environnement. Ayant reçu une formation formelle en biologie moléculaire, il rêvait autrefois d'obtenir des diplômes et de créer son propre laboratoire. Mais ces jours-ci, il trouve sa plus grande joie dans une bouteille de bière et une belle phrase.

Tristan est un écrivain scientifique indépendant basé à Metro Manila, avec environ sept ans d'expérience dans l'écriture sur la médecine, la biotechnologie et l'environnement. Ayant reçu une formation formelle en biologie moléculaire, il rêvait autrefois d'obtenir des diplômes et de créer son propre laboratoire. Mais ces jours-ci, il trouve sa plus grande joie dans une bouteille de bière et une belle phrase.