Simulation numérique

SUPERCALCULATEURS
Turing – le supercalculateur de l’IDRIS

Les supercalculateurs, comme leur nom l’indique, sont ce que la technologie est capable de produire de plus puissant en tant qu’ordinateurs.
Depuis plus de 50 ans, leurs capacités extrêmes, multipliées quasiment d’un facteur mille tous les dix ans, ont permis des progrès considérables dans la recherche et l’industrie grâce à la simulation numérique, qui, en modélisant les phénomènes physiques de toute nature et à toute échelle, permet d’en comprendre le comportement et d’en prévoir les évolutions.
La simulation numérique, alliée dorénavant aux nouveaux paradigmes de l’intelligence artificielle, va être toujours davantage à l’origine de bouleversements technologiques mais aussi d’évolutions sociétales touchant des domaines aussi cruciaux que la santé, la transition énergétique et l’indispensable contrôle des évolutions climatiques.
Ces « Formule 1 » que sont les supercalculateurs permettent aux experts formés à leur usage de tirer parti de leurs capacités exceptionnelles pour obtenir des résultats inatteignables autre-ment. Le nouveau supercalculateur que l’IDRIS, centre national de calcul du CNRS, va opérer cette année pour le compte du CNRS et de la société GENCI, va permettre d’utiliser simul-tanément une puissance cumulée équivalent à celle de plusieurs dizaines de milliers d’ordina-teurs individuels. Grâce à ses capacités prodi-gieuses, il permettra d’effectuer les simulations à haute résolution prévues dans le cadre du projet AQMO, en utilisant à la fois sa considérable puissance de calcul (potentiellement 14 millions de milliards d’opérations par seconde !) et ses capacités de traitement de données, équiva-lentes elles aussi à celles de plusieurs dizaines de milliers de disques durs d’ordinateurs individuels…

À quoi ressemble un supercalculateur ?

Physiquement les supercalculateurs se présentent sous la forme de rangées d’armoires. Grands consommateurs d’énergie (autant qu’un petit village !), ils ont besoin d’être refroidis et pour ces raisons ils sont déployés dans salles spécifiquement aménagées, et ils sont habituellement hébergés dans des centres appelés « Centre de calcul ».

Dans quels domaines sont utilisés les supercal-culateurs ?

Dans toutes les tâches qui nécessitent une très forte puissance de calcul, comme les prévisions météorologiques, l’étude du climat, la chimie (calcul de structures et de propriétés, modélisation moléculaire, etc.), les simulations physiques (simulations aérodynamiques, calculs de résistance des matériaux, simulation d’explosion d’arme nucléaire, étude de la fusion nucléaire, etc.), la cryptanalyse, les simulations en finance et en assurance, et l’intelligence artificielle.

SIMULATION NUMÉRIQUE
Qu’est-ce que la simulation numérique ?

La simulation numérique de la qualité de l’air, c’est reproduire sur un ordinateur comment les différents polluants (particules, gaz, etc.) se dispersent dans l’atmosphère.
La simulation numérique s’appuie sur les équations physiques (conservation de la masse, transport des polluants, etc.). Ces équations d’évolution sont calculées par des programmes informatiques par le biais de suites d’opérations mathématiques appelées algorithmes.

Simulation de la dispersion des particules fines
Comment déterminer la qualité de l’air ?

Il est possible de mesurer la concentration de différents polluants par des capteurs. Mais il est difficile, si ce n’est impossible, de mesurer la concentration de situations qui n’existent pas :

  • Comment mesurer l’impact d’un scénario Et si … : « et si tous les véhicules étaient essence au lieu d’un mix essence / diesel ? »
  • Comment mesurer la qualité de l’air demain ?

La simulation numérique permet d’apporter des éléments de réponse à ces questions en s’appuyant par exemple sur les prévisions météorologiques. Ces prévisions sont d’ailleurs obtenues également par simulation numérique.

Suivi de la dispersion de particules depuis une zone
de stockage au sud de Singapou r
Simulation numérique VS données

Réaliser des simulations numériques requiert beaucoup de données. L’écoulement du vent au niveau des rues dépend de nombreux facteurs, dont notamment :

  • Du vent en altitude, plus fortement influencé par circulation générale,
  • Des bâtiments qui font plus ou moins écran au vent,
  • Du relief, qui conduit le vent à accélérer, comme dans un col, ou ralentir par effet d’obstacle,
  • De la nature des sols et de leur capacité à pié-ger la chaleur et l’eau, comme le savent les pi-lotes de parapente, etc.

La dispersion des polluants dans les rues dépend du vent, mais également par exemple des sources d’émissions : pour les émissions liées au trafic automobile, il s’agit en particulier de la position des rues, du nombre et du type de véhicules parcourant les rues. Il faut également considérer les autres sources de pollution, comme les cheminées des particuliers en hiver ou des industriels. Ces données doivent être rassemblées, traitées et complétées pour permettre une simulation réaliste de la dispersion de polluants.

Simulation de l’écoulement du vent en milieu urbain