Gaétan Hains Laboratoire d’informatique fondamentale d’Orléans Le futur de l’informatique et les limites du calcul Tera-Flops, algorithmes et applications . Gaétan Hains Laboratoire d’informatique fondamentale d’Orléans

Le futur de l’informatique et les limites du calcul Histoire des ordinateurs: accélérer La pyramide de Kheox: miniaturiser Le parallélisme: faire coopérer Applications et limites: ce qui sera possible et ce qui ne le sera jamais … Recherche en informatique: … et pourtant …

I. Histoire des ordinateurs

Le boulier -3000 à Babylone

La règle à calcul 1614 : John Napier 1970: encore en usage au Québec …

La Pascaline 1642 - 43 : Blaise Pascal

Stepped Reckoner 1674 : Gottfried Leibnitz

L'arithmomètre 1820 - 22 : Thomas de Colmar

Le recencement de 1890 1890 : Herman Hollerith 1896 : Tabulating Machine Compagny (devient IBM en 1924)

Le Harvard Mark I 1937 : Howard Aiken relais électromécaniques 10,6 m de long, 5 t 2 multiplications / 3s terminé en 1944

Du Z1 au Z4 1931 - 38 : Konrad Zuse 1941 : le Z3 électromécanique 1941 : le Z3 programme de contrôle sur bande perforée 1943 : le Z4 (512 adresses)

L'ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) 1943 - 45 : P. Eckert, J. Mauchly

L'ENIAC (2) 30 t 17468 tubes, 70000 résistances, 1500 relais, 6000 commutateurs manuels 150 kW

Les années 1950 L'UNIVAC 1 (Eckert & Mauchly, 1951) marché civil (prédiction de l'élection d'Eisenhower) 12000 nombres en mémoire 10 bandes magnétiques

L'Univac (2)

1970 - 1985 1976 : Cray I: refroidi au « gaz liquide » 1981 : Cyber 205, 50 MFlops

Les années 1980-95 1991 : Cray Y-MP (16 GFlops) 1986 : Cray X-MP (713 MFlops) 1991 : Cray Y-MP (16 GFlops)

Les années 1995-2005 Grappes de PC Super-ordinateurs parallèles et vectoriels Calcul globalisé ou grilles de calcul géographiquement distribuées.

Grappe de PC au LIFO: puissance de calcul

Grappe de PC au LIFO: réseau Gbit/s (100 x ADSL entre chaque paire de PC)

Grappe de PC version INRIA

Super-ordinateur NEC au Japon: The Earth Simulator 5000 machines en une

Du calcul à la demande, distribué comme l’électricité Les grilles de calcul: (super)-ordinateurs géographiquement distribués Du calcul à la demande, distribué comme l’électricité

II. La pyramide de Kheox: miniaturiser 8 données : profondeur 3 1 000 000 données: profondeur 20

(A) Les informations, les calculs, la langue, la logique : Des structures imbriquées à dimensions illimitées (B) Les mémoires, les machines, le matériel : Des structures en 3 dimensions, du courant électrique, des gens, des €, du temps. ⇨ miniaturiser (A) pour les réaliser par (B) Depuis toujours on miniaturise l’espace-temps du calcul. Mais ce n’est plus suffisant.

III. Le parallélisme: faire coopérer les calculs On distribue les données sur p=4, 32, 5000 ordinateurs Chacun calcule sur sa part des données On s’échange les résultats On recommence si nécessaire Le calcul est complété p fois plus vite Mais: l’échange des données prend du temps … temps relatif inchangé depuis plus de 20 ans Echange 20, 100, 1000 x plus lent qu’un calcul … s’il n’y a pas de bouchon !

Paralléliser c’est distribuer … Données Données

… accélérer … D o n n é e s n o e D n é s

… mais aussi communiquer et synchroniser. D é o n n e s D o é e s n n 3 cons. 4 voyel. (3,4) (3,4) (3,4) (3,4)

La vitesse de calcul augmente exponentiellement Kilo Mega Giga Tera

MAIS comm et synchro coûtent toujours autant CRAY T3E, haut de gamme circa 2002   Mflops/s 1/L M/s 1/g Mmots/s t3e-256(2) 2000 1,1 260 t3e-256(4) 4000 0,9 382 t3e-256(8) 7000 0,6 327 t3e-256(16) 15000 0,4 253 t3e-256(24) 2200 0,47 222 t3e-256(32) 28000 0,41 177

Communication et synchronisation limitent les performances. G L Communication et synchronisation limitent les performances.

Même la fibre optique n’y peut rien, la vitesse de la lumière est finie ⇒ communiquer coûte cher.

IV. Applications et limites du calcul Dynamique moléculaire: on simule une nanoseconde sur 10 000 atomes

Traitement d’image, et reconnaissance de formes 3D: potentiel illimité. Reconnaître un visage, comparer deux voix, comparer une image avec la carte Michelin, compléter l’image SPOT par temps couvert etc.

Simulation aérodynamique et météo: Simulation aérodynamique et météo: progrès constants mais pas de révolution. Problème inverse (apprentissage) hors de portée.

Réalité virtuelle, interfaces par immersion, jeux vidéos, murs d’image : ça ne fait que commencer ! Simulation interactive en ingénierie

Urbanisme virtuel, simulation des crues de la Loire etc.

Joueur de Handball virtuel, gardien de but réel

Apprentissage automatique sur données géographiques: Progrès réels mais limités par la complexité. Où doit-on chercher les mines d’or ?

Analyse de la structure du web: Progrès réels mais limités par la complexité. Qui parle de qui sur les pages perso ? Où est Al Qaida ? Que sait le réseau Echelon sur mon entreprise ? Que peut-on apprendre du CEA via le web ?

Analyse des protocoles cryptographiques: Progrès très limités par la complexité. Ce protocole de commerce électronique est-il vraiment sûr ? Est-il facile de mettre nos serveurs en déni de service ? Quels effets d’une panne sur nos informations critiques ?

Merci de votre attention ! En résumé: La miniaturisation progresse Les réseaux progressent un peu moins On va largement améliorer certaines applications Pour les autres … …on y travaille. Merci de votre attention !

Merci à: Arnaud Lallouet (LIFO): histoire des ordinateurs. INRIA, BRGM: photos. Univ.Orléans, Min. Rech., Cons. Rég.: € pour le LIFO. Centre Sciences: organisation et communication. Tous nos partenaires recherche en France et ailleurs