High Performance Computing : comment fonctionnent les solutions HPC ?

Le High Performance Computing est utilisé pour gérer de grands volumes de données et des tâches de calcul complexes en parallèle, sur la base d’une méthode de calcul haute performance concentrée. Cet outil est tout particulièrement utilisé dans le monde économique ou scientifique, mais aussi dans les domaines de la simulation ou de l’informatique décisionnelle. Quels sont les différents procédés HPC disponibles et comment fonctionnent-ils ?

Le High Performance Computing (ou son abréviation, HPC) désigne une méthode de calcul haute performance. Comme son nom l’indique, il ne s’agit pas réellement d’une technologie bien définie faisant appel à des instruments spécifiques, mais plutôt de procédés qui utilisent et/ou mettent à disposition un grand nombre de performances et de capacités de stockage propres aux ordinateurs ordinaires. Aucun critère fixe ne définit la nature du HPC, car la conception de cette méthode évolue dans le temps, de manière à s’adapter aux nouvelles technologies informatiques. Les solutions HPC servent généralement à la réalisation d’opérations de calcul complexes impliquant des volumes de données considérables, ou encore à l’analyse, au calcul et à la simulation de systèmes et de modèles.

Pour commencer, les processus HPC peuvent être utilisés sur des ordinateurs hautement performants. La plupart du temps, le HPC se compose toutefois de plusieurs nœuds formant des superordinateurs, qui correspondent également à des clusters HPC. Ces superordinateurs sont capables d’effectuer un calcul haute performance en parallèle à l’aide de plusieurs ressources agrégées. Les premiers superordinateurs HPC ont été développés par Cray, qui est depuis devenu l’un des partenaires d’Intel. Avec leurs architectures matérielles et logicielles complexes liées par des nœuds et combinées à des services de performance, les superordinateurs d’aujourd’hui sont bien plus puissants.

Lorsqu’un ordinateur traditionnel n’est plus en mesure de traiter des volumes de données trop importants, il convient de se tourner vers un environnement HPC. En tant que forme de Distributed computing (calcul distribué), le HPC utilise les performances issues de plusieurs ordinateurs couplés au sein d’un même système ou les performances agrégées d’environnements matériels et logiciels et de serveurs. Les clusters HPC et les architectures modernes pour le calcul haute performance sont constitués de processeurs, de mémoires de travail et de données, d’accélérateurs et de matrices d’interconnexion HPC. Le HPC permet également de partager les applications, les mesures, les calculs et les simulations à grande échelle entre plusieurs processus parallèles. Les tâches sont réparties à l’aide d’un logiciel de calcul spécial.

Deux approches sont principalement utilisées dans le cadre des applications de High Performance Computing :

1. Scale-up : dans ce cas, les technologies HPC font appel à une architecture matérielle et logicielle complexe et partagent les tâches en fonction des ressources disponibles. Les processus de calcul parallèles sont alors répartis au sein d’un même système ou serveur. Même si le potentiel de haute performance est élevé pour le scale-up, il se confine toutefois aux limites du système.
2. Scale-out : dans les architectures scale-out, les ordinateurs, les systèmes de serveurs et les supports de stockage sont liés les uns aux autres par clustering, afin de former des nœuds et des clusters HPC.

Théoriquement, les ordinateurs individuels couplés à un système peuvent satisfaire aux exigences du HPC en faisant appel au scale-up. Cette approche reste toutefois peu efficace en pratique pour les applications très importantes. Ce n’est qu’en regroupant vos unités de calcul et vos systèmes de serveurs que vous pourrez accumuler des capacités et adapter les performances de votre installation en fonction de vos besoins. Pour assembler, distribuer ou séparer des clusters HPC, il est généralement nécessaire de faire appel à un système de serveur unique avec un regroupement d’unités de calcul ou au Cloud computing automatisé proposé par les fournisseurs HPC.

Contrairement aux systèmes individuels locaux ou suprarégionaux exécutant leurs applications HPC sur serveur, le HPC par Cloud computing propose des capacités et une évolutivité nettement supérieures. Les fournisseurs de services HPC mettent à disposition un environnement informatique composé de serveurs et de systèmes de calcul à réserver en fonction des besoins, sur la base d’un accès flexible et rapide. Les services de Cloud proposés par les fournisseurs HPC possèdent un potentiel d’évolutivité presque illimité et une infrastructure Cloud fiable pour l’exécution de procédures HPC. Le modèle sur site, basé sur des systèmes individuels et composé d’un ou de plusieurs serveurs et d’une infrastructure informatique complexe, offre plus d’indépendance, mais demande également davantage d’investissements et de mises à niveau.

Étant donné le flou qui entoure la définition du HPC, son application s’étend elle aussi à presque tous les domaines impliquant des processus de calcul complexes. Le HPC peut être utilisé localement (sur site), par l’intermédiaire d’un Cloud ou en tant que modèle hybride. Voici quelques-uns des domaines tributaires du HPC ou faisant régulièrement appel à celui-ci :

• Génomique : séquençage de l’ADN, études de filiation et analyse des médicaments
• Médecine : recherche pharmaceutique, formulation de vaccins, recherche thérapeutique
• Industrie : simulations et modèles, par exemple dans le domaine de l’intelligence artificielle, de l’apprentissage automatique, de la conduite autonome ou de l’optimisation des processus
• Aéronautique/astronautique : simulations sur l’aérodynamisme
• Finance : analyse des risques, détection des fraudes, analyses commerciales ou création de modèles financiers dans le cadre de la technologie financière
• Médias de divertissement : effets spéciaux, animations, transfert de fichiers multimédias
• Météorologie et climatologie : prévisions météorologiques, modèles climatiques, prévisions et alertes liées aux catastrophes naturelles
• Physique des particules : calculs et simulations en lien avec la mécanique et la physique quantique
• Chimie quantique : calculs de chimie quantique

Il y a longtemps que le HPC n’est plus seulement l’un des outils fiables utilisés dans le domaine scientifique pour effectuer des tâches et résoudre des problèmes complexes. Aujourd’hui, de nombreuses entreprises et institutions peuvent également faire appel à la performance des solutions HPC, et ce, quel que soit leur secteur d’activité.

Voici quelques-uns des avantages offerts par le HPC :

• Réduction des coûts : grâce au HPC dans le Cloud, même les plus petites des entreprises peuvent traiter des charges de travail extrêmement importantes et complexes. En réservant ces services HPC auprès de fournisseurs spécialisés, vous pouvez maîtriser vos coûts de manière transparente.
• Puissance et vitesse supérieure : les architectures HPC sont composées de processeurs, de systèmes de serveurs et de technologies telles que l’accès direct à la mémoire à distance. Elles permettent donc d’exécuter des tâches complexes et coûteuses avec davantage de capacités de calcul et de réaliser beaucoup plus rapidement les calculs eux-mêmes.
• Optimisation des processus : grâce aux modèles et aux simulations, il est plus facile d’organiser des tests physiques et des phases d’essai efficaces, mais aussi d’éviter toute panne ou tout défaut, notamment dans le domaine de l’industrie ou de la technologie financière, ou encore d’optimiser les processus à l’aide de procédés d’automatisation intelligente.
• Gain de connaissances : dans le secteur de la recherche, le HPC permet l’évaluation d’importants volumes de données et favorise les innovations, les prévisions et l’acquisition de nouvelles connaissances.