Les scientifiques franchissent la barrière exascale pour les simulations de chimie quantique

supercalculateur

Crédit : domaine public CC0

Une équipe dirigée par les scientifiques de Paderborn, le professeur Thomas D. Kühne et le professeur Christian Plessl, a réussi à devenir le premier groupe au monde à franchir la barrière majeure “exaflop” – plus de 1 billion d’opérations en virgule flottante par seconde – pour une application scientifique informatique . Avec cet exploit, ils ont établi un nouveau record du monde.

Les deux professeurs – Plessl, un informaticien, et Kühne, un chimiste – ont surmonté le défi de l’exaflop lors d’une simulation de la protéine de pointe du SRAS-CoV-2 dans une application informatique scientifique du monde réel. Ils ont fait la percée à l’aide du supercalculateur Perlmutter du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) aux États-Unis.

Perlmutter est actuellement le cinquième ordinateur le plus rapide au monde. La base était une nouvelle méthode de simulation que Plessl et Kühne ont développée ces dernières années et intégrée dans le logiciel open source de chimie quantique CP2K.

Course pour l’ordinateur le plus rapide du monde

Dans le monde du calcul haute performance, le nombre d’opérations arithmétiques en virgule flottante effectuées par seconde avec une précision double (64 bits) est une référence pour les performances d’un supercalculateur. En 1984, la barre du milliard d’opérations de calcul par seconde a été atteinte pour la première fois, un chiffre dépassé aujourd’hui par tous les smartphones.

“L’importance croissante du calcul haute performance pour la science a donné lieu à une course technologique de plus en plus compétitive pour l’ordinateur le plus rapide. Depuis lors, un classement mis à jour des 500 supercalculateurs les plus rapides au monde est publié tous les six mois”, explique Plessl, président et directeur général. directeur général du Paderborn Center for Parallel Computing (PC2), qui exploite le supercalculateur Noctua à l’université.

Des étapes supplémentaires ont été franchies en 1997 (1 billion d’opérations par seconde ou un téraflop) et 2008 (1 quadrillion d’opérations ou un pétaflop). La course à la prochaine marque symbolique d’un exaflop s’est immédiatement enflammée. Plessl : “La dimension de ce nombre devient plus claire quand on considère que l’univers est d’environ 1018 secondes. Cela signifie que si un humain avait effectué un calcul toutes les secondes depuis l’époque du Big Bang, un ordinateur exascale pourrait faire le même travail en une seule seconde.”

Alors que le leadership technologique dans la numérisation de la science devenait de plus en plus un enjeu de compétitivité internationale, la course au premier ordinateur exascale s’est transformée en un concours mondial, également appelé la “course à l’espace du 21e siècle”.

Pessl déclare : « Nous sommes actuellement à l’aube de l’ère de l’exascale. On s’attend généralement à ce que le premier supercalculateur à franchir le seuil de l’exascale pour les opérations arithmétiques en virgule flottante 64 bits soit annoncé publiquement lors de la Conférence internationale sur le calcul haute performance, l’ISC, qui aura lieu à Hambourg fin mai.”

Nouvelle méthode de simulation de chimie quantique massivement parallèle

Comme évaluation standard pour déterminer la vitesse d’un supercalculateur pour la liste TOP500, un programme est utilisé qui calcule le temps de résolution d’un très grand système d’équations. Plessl explique ceci : « En raison des excellentes propriétés de parallélisation du programme, les supercalculateurs peuvent utiliser une proportion très élevée de la puissance de calcul disponible théoriquement maximale. Une critique de cette méthode de mesure est que la puissance de calcul qui peut être utilisée pour des applications réelles les applications scientifiques mondiales ne représentent souvent qu’une petite fraction de la capacité de calcul maximale. En effet, la répartition des tâches de calcul, le transfert de données et la coordination de l’exécution sur des centaines de milliers d’éléments informatiques impliquent généralement un temps et des dépenses administratifs importants.

Le développement de méthodes et d’algorithmes de simulation optimisés pour exploiter plus efficacement la puissance de calcul des supercalculateurs massivement parallèles est donc un sujet de recherche clé dans le domaine des sciences numériques. Plessl et Kühne et leur équipe ont relevé ce défi. Dans le cadre de l’utilisation des calculateurs exascale pour la simulation de systèmes chimiques, ils ont présenté en 2020 la méthode des sous-matrices pour le calcul approché des fonctions matricielles, une nouvelle méthode idéalement adaptée aux exigences des supercalculateurs exascale. Le cœur de la méthode est une approche dans laquelle de nombreux calculs indépendants sont effectués sur de petites matrices denses. “Ce sont précisément ces types d’opérations qui peuvent être exécutées avec une puissance de calcul et une efficacité énergétique très élevées sur des supercalculateurs extrêmement puissants équipés d’un matériel d’accélération GPU”, ajoute Kühne.

Simulation de taille record sur le supercalculateur JUWELS Booster

En 2021, les scientifiques de Paderborn ont déjà effectué des simulations du virus HI avec jusqu’à 102 millions d’atomes sur le JUWELS Booster du Jülich Supercomputing Center, qui était à l’époque le supercalculateur le plus rapide d’Europe (maintenant classé 8e au niveau mondial), établissant ainsi un record de la plus grande simulation de dynamique moléculaire ab initio basée sur la structure électronique. Cette simulation a atteint une performance de calcul de 324 pétaflops en arithmétique à virgule flottante à précision mixte et une efficacité de 67,7% de la puissance de calcul théoriquement disponible, un chiffre remarquable pour ce domaine d’application. Depuis la simulation record à Jülich, la méthode a été continuellement optimisée pour augmenter l’efficacité de l’utilisation des accélérateurs matériels GPU.

Pour tester la capacité exascale de la méthode dans la pratique, l’équipe a pu obtenir l’accès au supercalculateur Perlmutter du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) aux États-Unis. L’ordinateur dispose de ressources suffisantes pour briser la barrière exascale lors de l’utilisation d’une précision mixte 32/16 bits au lieu d’une précision 64 bits pour le calcul. La méthode peut donc être classée dans le contexte du calcul approché, qui – en termes simplifiés – fonctionne avec des valeurs approchées au lieu d’exactes.

“Puis en avril, lors d’une simulation de la protéine de pointe SARS-CoV-2 à l’aide de 4 400 accélérateurs GPU, nous avons franchi le seuil d’exaflop et atteint 1,1 exaflops en arithmétique à précision mixte dans la partie critique du temps de calcul de l’application”, a déclaré Plessl. dit. “Comme cadre de référence, une seule étape de simulation prend 42 secondes pour 83 millions d’atomes, ce qui signifie qu’environ 47 x 1018 des opérations en virgule flottante sont effectuées dans le processus. Sans tenir compte des besoins en mémoire, un tel calcul aurait pris environ 13 heures avec le premier système pétaflopique, le supercalculateur Roadrunner en 2008, et environ 1,5 ans avec le premier système téraflopique, l’ASCI Red utilisé en 1997.”

Les scientifiques de Paderborn sont déjà occupés à travailler sur leur prochain coup : « L’étalon-or pour les simulations atomistiques en chimie et en physique du solide est la méthode de la théorie fonctionnelle de la densité. Nous sommes très confiants que nous réussirons à appliquer la méthode des sous-matrices dans ce domaine comme bien », dit Kühne.


Le supercalculateur fait ses débuts en tant que barrière exascale la plus rapide au monde


Fourni par l’Université de Paderborn

Citation: Les scientifiques franchissent la barrière exascale pour les simulations de chimie quantique (1er juin 2022) récupéré le 1er juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-scientists-exascale-barrier-quantum-chemistry.html

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