AS2.1. MAINTIEN, AMÉLIORATION, OPTIMISATION ET REFACTORISATION DES CODES HÉRITÉS ET MÉTHODES DE PROGRAMMATION QUANTIQUES ET AVANCÉES (DSL, GPU, NOUVEAUX LANGAGES) ET VEILLE TECHNOLOGIQUE
Le calcul haute performance (HPC) est au cœur des activités du CERFACS depuis plus de 30 ans, lui permettant d’asseoir son leadership international dans ce domaine. Aujourd’hui, deux grandes orientations stratégiques guident ses efforts en matière de HPC. Premièrement, il est essentiel de maintenir et de faire évoluer les codes hérités, c’est-à-dire les logiciels matures et performants tels que l’AVBP. Ces codes sont largement utilisés dans la recherche et l’industrie, mais ils sont confrontés à des défis liés à l’évolution rapide du matériel informatique, qui change tous les deux à quatre ans. La mise à jour et la refonte de ces codes complexes pour les nouvelles architectures constituent une tâche de recherche exigeante et une préoccupation commune au CERFACS et à ses partenaires. Deuxièmement, le CERFACS se prépare pour l’avenir en explorant des techniques de programmation avancées, le calcul hétérogène et les architectures émergentes telles que les GPU et les ordinateurs quantiques. Il est essentiel de parvenir à la portabilité des performances, c’est-à-dire la capacité d’un logiciel à fonctionner efficacement sur différents matériels. Alors que les langages de programmation actuels (C, C++, Fortran, Python) ne prennent pas en charge de manière universelle le calcul hétérogène, des outils tels que OpenMP, OpenACC, Kokkos et des langages spécifiques à un domaine sont à l’étude pour combler cette lacune. Ces cadres visent à abstraire la complexité du matériel, améliorant ainsi les performances et la maintenabilité. Enfin, le CERFACS maintient une veille technologique active, notamment sur les développements en matière d’informatique quantique, afin de rester à la pointe de l’innovation en matière de HPC et bien positionné pour relever les défis futurs.
AS2.2 COUPLAGE
Le CERFACS mène des recherches qui combinent des études méthodologiques et le développement d’outils dans le domaine du calcul haute performance (HPC), dans le but d’atteindre le calcul exascale. L’accent est mis sur le couplage de codes, qui permet des simulations efficaces et évolutives intégrant les codes existants pour des applications telles que l’assimilation de données, la modélisation multiphysique, l’optimisation de la conception et la quantification de l’incertitude. Le CERFACS mène des recherches actives sur le couplage depuis plus de 20 ans, développant des bibliothèques open source clés telles que OASIS3-MCT (avec le CNRS) et OpenPALM (avec l’ONERA), qui fournissent des cadres unifiés pour les systèmes couplés complexes.
Parmi les avancées récentes, citons le projet ANR COCOA, qui a démontré l’efficacité de la méthode itérative de Schwarz pour réduire les incohérences temporelles dans les modèles atmosphère-océan et a mis en évidence les limites du couplage asynchrone dans les simulations climatiques. La bibliothèque de couplage CWIPI joue un rôle central dans les simulations CFD haute fidélité utilisant l’AVBP, en particulier pour les applications de turbomachines. Ce travail, récompensé par des prix tels que le Trophée Teratec 2020, soutient des partenaires industriels et universitaires tels que SAFRAN et TOTAL.
CWIPI prend également en charge les simulations multiphysiques impliquant le transfert de chaleur fluide-solide, pertinentes dans les études sur la combustion de l’hydrogène. Les mises à jour majeures d’OASIS3-MCT (versions 4.0 et 5.0) ont apporté des améliorations en termes de performances, de parallélisation, de capacités de regridding et de nouveaux outils. Bien que le développement de PALM ait été suspendu en raison de contraintes de ressources, le support utilisateur et la collaboration avec l’ONERA sur le développement de CWIPI et l’intégration avec la bibliothèque Paradigm se sont poursuivis activement.
AS2.3 FLUX DE TRAVAIL HPC (Y COMPRIS LA GESTION DES DONNÉES)
Le calcul haute performance (HPC) est essentiel tant dans la recherche fondamentale que dans la conception industrielle, mais le transfert des outils des experts universitaires vers les ingénieurs de terrain reste un défi majeur, souvent décrit comme « franchir le fossé ». Si les utilisateurs actuels du HPC sont généralement des précurseurs, son adoption à grande échelle nécessite de rendre les simulations fiables et reproductibles sur plusieurs années. Pour les ingénieurs, une simulation « réussie » doit fonctionner correctement dès le premier essai, fournir des informations précieuses, être abordable en termes de temps et de ressources, et être facilement reproductible par la suite. Ces besoins pratiques l’emportent souvent sur les gains de performance purs, tels qu’une accélération de 20 %, s’ils permettent d’éviter des simulations incorrectes ou échouées.
Avec le passage au calcul exascale, les défis prennent une ampleur considérable : la taille des tâches, leur nombre et les volumes de données augmentent de plusieurs ordres de grandeur. Les utilisateurs ne peuvent plus déplacer les simulations entre les machines locales et les clusters en raison des limitations de bande passante et doivent plutôt effectuer l’ensemble du workflow (configuration, exécution et post-traitement) sur le cluster lui-même. Cela nécessite de nouveaux workflows et de nouveaux outils pour les utilisateurs.
Le CERFACS se concentre sur l’amélioration de l’expérience utilisateur actuelle du HPC tout en se préparant aux systèmes exascale. Cela comprend l’optimisation des interfaces (graphiques ou en ligne de commande), la réduction des inefficacités cachées, la diminution des coûts de support et de formation, et la minimisation du temps de gestion manuelle des tâches. L’objectif est de rendre le HPC plus accessible, plus durable et plus efficace pour une communauté d’ingénieurs plus large.
