9 Utilisations Super-Cool Pour Les Superordinateurs

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Les supercalculateurs aident les scientifiques à s'attaquer aux très gros problèmes.

Les supercalculateurs sont les bodybuilders du monde informatique. Ils offrent des dizaines de milliers de fois la puissance informatique d'un ordinateur de bureau et coûtent des dizaines de millions de dollars. Ils remplissent d’énormes salles qui sont refroidies afin d’empêcher la surchauffe de leurs milliers de cœurs de microprocesseurs. Et ils effectuent des trillions, voire des milliers de trillions de calculs par seconde.

Toute cette puissance signifie que les supercalculateurs sont parfaits pour s'attaquer aux grands problèmes scientifiques, de la découverte des origines de l'univers à l'exploration des schémas de repliement des protéines qui rendent la vie possible. Voici quelques-unes des questions les plus intrigantes abordées par les superordinateurs aujourd'hui.

Recréer le Big Bang

Il faut de gros ordinateurs pour examiner la plus grande question de toutes: quelle est l'origine de l'univers?

Le "Big Bang", ou expansion initiale de toute l'énergie et de toute la matière de l'univers, s'est passé il y a plus de 13 milliards d'années à des températures atteignant des milliards de degrés Celsius, mais des simulations de supercalculateurs permettent d'observer ce qui s'est passé lors de la naissance de l'univers. Des chercheurs du Texas Advanced Computing Center (TACC) de l'Université du Texas à Austin ont également utilisé des supercalculateurs pour simuler la formation de la première galaxie, tandis que des scientifiques du centre de recherche Ames de la NASA à Mountain View, en Californie, ont simulé la création d'étoiles de la poussière cosmique et des gaz.

Les simulations de supercalculateurs permettent également aux physiciens de répondre à des questions sur l'univers invisible de nos jours. La matière noire invisible représente environ 25% de l’univers et l’énergie noire, plus de 70%, mais les physiciens n’en savent pas grand chose. À l'aide de puissants superordinateurs, tels que le Roadrunner d'IBM au Laboratoire national Los Alamos, les chercheurs peuvent exécuter des modèles nécessitant plus de 1 000 milliards de calculs par seconde, permettant ainsi de disposer des modèles les plus réalistes de ces mystères cosmiques.

Comprendre les tremblements de terre

D'autres simulations de supercalculateurs sont plus proches de chez nous. En modélisant la structure tridimensionnelle de la Terre, les chercheurs peuvent prédire comment les ondes sismiques se propageront à la fois localement et globalement. C'est un problème qui semblait insoluble il y a deux décennies, explique le géophysicien de Princeton, Jeroen Tromp. Mais en utilisant des superordinateurs, les scientifiques peuvent résoudre des équations très complexes qui reflètent la vie réelle.

"En gros, nous pouvons dire que, s'il s'agit de votre meilleur modèle de ce à quoi la Terre ressemble en 3D, voici à quoi ressemblent les vagues", a déclaré Tromp.

En comparant les différences restantes entre les simulations et les données réelles, Tromp et son équipe perfectionnent leurs images de l'intérieur de la Terre. Les techniques résultantes peuvent être utilisées pour cartographier le sous-sol pour l'exploration pétrolière ou la séquestration du carbone, et peuvent aider les chercheurs à comprendre les processus se déroulant dans les profondeurs du manteau et du noyau de la Terre.

Protéines Pliantes

En 1999, IBM a annoncé son intention de construire le supercalculateur le plus rapide du monde. Le premier défi de cette merveille technologique baptisée "Blue Gene"?

Résoudre les mystères du repliement des protéines.

Les protéines sont constituées de longs brins d’acides aminés repliés dans des formes complexes en trois dimensions. Leur fonction est guidée par leur forme. Lorsqu'une protéine se replie mal, les conséquences peuvent être graves, notamment la fibrose kystique, la maladie de la vache folle et la maladie d'Alzheimer. La première étape de la guérison de ces maladies consiste à découvrir comment les protéines se replient - et comment elles peuvent s’y retourner -.

Blue Gene n'est pas le seul superordinateur à travailler sur ce problème, qui nécessite des quantités énormes de puissance pour simuler de simples microsecondes de temps de repliement. À l'aide de simulations, les chercheurs ont mis au jour les stratégies de repliement de plusieurs protéines, notamment celle trouvée dans la muqueuse de l'intestin des mammifères. Pendant ce temps, le projet Blue Gene s'est développé. Depuis novembre 2009, un système Blue Gene en Allemagne est classé comme le quatrième supercalculateur le plus puissant au monde, avec une vitesse de traitement maximale de mille milliards de calculs par seconde.

Cartographie du flux sanguin

Vous pensez avoir une bonne idée de la circulation de votre sang? Pensez encore. La longueur totale de toutes les veines, artères et capillaires du corps humain est comprise entre 60 000 et 100 000 milles. Pour cartographier le flux sanguin en temps réel dans ce système complexe, George Karniadakis, professeur de mathématiques appliquées à l’Université Brown, travaille avec plusieurs laboratoires et plusieurs clusters d’ordinateurs.

Dans un article publié en 2009 dans la revue Philosophical Transactions de la Royal Society, Karniadakas et son équipe décrivent le flux de sang dans le cerveau d'une personne typique par rapport au flux sanguin dans le cerveau d'une personne souffrant d'hydrocéphalie, une affection caractérisée par la formation de liquide crânien. dans le crâne. Les résultats pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre les accidents vasculaires cérébraux, les lésions cérébrales traumatiques et autres maladies vasculaires cérébrales, écrivent les auteurs.

Modélisation de la grippe porcine

Les pandémies potentielles telles que la grippe porcine H1N1 exigent une réponse rapide sur deux fronts: premièrement, les chercheurs doivent comprendre comment le virus se propage. Deuxièmement, ils doivent trouver des médicaments pour l'arrêter.

Les supercalculateurs peuvent aider à la fois. Lors de la récente épidémie de grippe H1N1, des chercheurs de l'Institut polytechnique de Virginie et de l'Université d'État de Blacksburg, en Virginie, ont utilisé un modèle avancé de propagation de la maladie appelé EpiSimdemics pour prédire la transmission de la grippe. Le programme, conçu pour modéliser des populations atteignant 300 millions de personnes, a été utilisé par le département américain de la Défense lors de l’épidémie, selon un rapport de mai 2009 publié par le magazine IEEE Spectrum.

Pendant ce temps, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champagne et de l'Université de l'Utah utilisaient des supercalculateurs pour scruter le virus lui-même. En utilisant le supercalculateur Ranger au TACC à Austin, au Texas, les scientifiques ont démêlé la structure de la grippe porcine. Ils ont compris comment les médicaments se lieraient au virus et simulé les mutations pouvant conduire à une pharmacorésistance. Les résultats ont montré que le virus n'était pas encore résistant, mais le serait bientôt, selon un rapport du centre de ressources informatiques TeraGrid. De telles simulations peuvent aider les médecins à prescrire des médicaments qui ne favoriseront pas la résistance.

Tester des armes nucléaires

Depuis 1992, les États-Unis ont interdit les essais d'armes nucléaires. Mais cela ne signifie pas que l'arsenal nucléaire est obsolète.

Le programme Stockpile Stewardship utilise des tests de laboratoire non nucléaires et, bien sûr, des simulations informatiques pour garantir que la cache d'armes nucléaires du pays est fonctionnelle et sûre. En 2012, IBM prévoit de dévoiler un nouveau supercalculateur, Sequoia, au laboratoire national Lawrence Livermore en Californie. Selon IBM, Sequoia sera une machine à 20 pétaflops, ce qui signifie qu'elle sera capable d'effectuer 20 000 milliards de calculs par seconde. La principale directive de Sequoia est de créer de meilleures simulations d’explosions nucléaires et d’éliminer définitivement les essais nucléaires dans le monde réel.

Ouragans de prévision

Avec l'ouragan Ike sur la côte du golfe en 2008, les prévisionnistes se sont tournés vers Ranger pour obtenir des indices sur la trajectoire de la tempête. Ce supercalculateur, avec son surnom de cow-boy et 579 trillions de calculs par seconde de puissance de traitement, réside au TACC d’Austin, au Texas. En utilisant les données directement des avions de la National Oceanographic and Atmospheric Agency, Ranger a calculé les trajectoires probables de la tempête. Selon un rapport de la TACC, Ranger a amélioré de 15% les prévisions relatives aux ouragans de cinq jours.

Les simulations sont également utiles après une tempête. Lorsque l'ouragan Rita a frappé le Texas en 2005, le laboratoire national Los Alamos au Nouveau-Mexique a mis à disposition du personnel et de la puissance informatique pour modéliser des lignes électriques et des centrales électriques vulnérables, aidant ainsi les responsables à prendre des décisions éclairées en matière d'évacuation, de coupure de courant et de réparation.

Prévoir le changement climatique

Le défi que représente la prévision du climat mondial est immense. Il existe des centaines de variables, allant de la réflectivité de la surface de la terre (forte pour les taches de glace, faible pour les forêts sombres) aux caprices des courants océaniques. La gestion de ces variables nécessite des capacités de calcul intensif. Les scientifiques travaillant sur le climat ont tellement convoité que le Département de l’énergie des États-Unis donne l’accès à ses machines les plus puissantes.

Les simulations qui en résultent cartographient le passé et envisagent l’avenir. Les modèles du passé ancien peuvent être associés aux données fossiles pour en vérifier la fiabilité, ce qui renforce les prévisions futures. De nouvelles variables, telles que l'effet de la couverture nuageuse sur le climat, peuvent être explorées. Un modèle, créé en 2008 au Brookhaven National Laboratory de New York, cartographiait les particules aérosols et la turbulence des nuages ​​à une résolution de 30 pieds carrés. Ces cartes devront devenir beaucoup plus détaillées pour que les chercheurs comprennent vraiment comment les nuages ​​affectent le climat au fil du temps.

Construire des cerveaux

Alors, comment les superordinateurs s’empilent-ils au cerveau humain? Eh bien, ils sont vraiment bons en calcul: il faudrait 120 milliards de personnes avec 120 milliards de calculatrices, 50 ans pour faire ce que le supercalculateur Sequoia sera capable de faire en une journée. Mais lorsqu'il s'agit de la capacité du cerveau à traiter des informations en parallèle en effectuant plusieurs calculs simultanément, même les supercalculateurs sont à la traîne. Dawn, un superordinateur du laboratoire national Lawrence Livermore, peut simuler la puissance cérébrale d'un chat - mais 100 à 1 000 fois plus lentement qu'un cerveau de chat réel.

Néanmoins, les supercalculateurs sont utiles pour modéliser le système nerveux. En 2006, des chercheurs de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (Suisse) ont réussi à simuler un fragment de 10 000 neurones d'un cerveau de rat appelé unité néocorticale. Avec un nombre suffisant de ces unités, les scientifiques de ce soi-disant projet "Blue Brain" espèrent construire à terme un modèle complet du cerveau humain.

Le cerveau ne serait pas un système d'intelligence artificielle, mais plutôt un circuit neuronal fonctionnel que les chercheurs pourraient utiliser pour comprendre le fonctionnement du cerveau et tester des traitements psychiatriques virtuels. Mais Blue Brain pourrait être encore meilleur que l'intelligence artificielle, a déclaré le chercheur en chef Henry Markram en 2007: "Si nous le construisons correctement, il devrait parler."

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