Des accélérateurs programmables augmentent la vitesse des superordinateurs
De nombreux services de pointe destinés aux consommateurs et à l’industrie,dont l’aéronautique, la conception automobile et les modèles climatiques, dépendent des applications émergentes de calcul à haute performance (HPC). Répondre à la demande croissante de ces services, exige de disposer d’ordinateurs plus puissants à des prix plus bas. Les réseaux de portes programmables (FPGA ou field-programmable gate arrays) constituent une solution prometteuse pour certaines applications HPC. Ces accélérateurs peuvent être programmés après leur fabrication pour s’intégrer à des applications sur mesure. Les FPGA peuvent largement surpasser les processeurs concurrents tels que les CPU ou les GPU, ce qui leur confère des avantages considérables pour les applications HPC. «Les FPGA excellent dans les calculs parallèles et spécialisés», explique Iakovos Mavroidis, chercheur à l’université technique de Crète et coordinateur du projet OPTIMA. «Ils sont particulièrement efficaces pour les tâches parallèles, irrégulières ou à faible latence dans le domaine du calcul intensif, telles que les algorithmes cryptographiques, le traitement des signaux et les simulations scientifiques», explique-t-il. Dans le cadre du projet OPTIMA, Iakovos Mavroidis et ses collègues ont utilisé des systèmes HPC qui intègrent des FPGA pour développer une série de bibliothèques open-source et d’applications industrielles, telles que des modèles d’écoulement des fluides, avec une efficacité énergétique largement supérieure. «Le développement de cas d’utilisation sur les infrastructures basées sur des FPGA d’OPTIMA a été un véritable défi, car nous devions trouver un équilibre entre la flexibilité et la gestion efficace des ressources pour garantir de bonnes performances sans surcharger le matériel», ajoute Iakovos Mavroidis. «Une planification minutieuse, des tests approfondis et la collaboration entre les équipes chargées de la conception des FPGA, du matériel et des logiciels nous ont toutefois aidés à relever ces défis.»
Intégration d’accélérateurs basés sur des FPGA
L’équipe d’OPTIMA, un consortium de partenaires de toute l’Europe, a commencé par se faire une idée précise des exigences des applications industrielles et à déterminer les caractéristiques nécessaires pour les futures bibliothèques OPTIMA à code source ouvert. Les chercheurs ont ensuite déployé deux plates-formes matérielles: l’une interconnectant quatre accélérateurs basés sur des FPGA, l’autre basée sur des moteurs de flux de données de Maxeler et un modèle de programmation. L’équipe a ensuite commencé à coder sur les plateformes basées sur des FPGA, en testant minutieusement chaque aspect, tout en optimisant continuellement le système pour augmenter son efficacité. Les chercheurs ont documenté leurs actions et partagé leur travail avec la communauté des logiciels open-source.
Démonstration des prototypes
OPTIMA a développé quatre applications HPC sur deux prototypes d’accélérateurs basés sur des FPGA. Ces applications consistent notamment en des outils d’analyse souterraine, de puissants outils de simulation «MESHFREE» et des simulations robotiques basées sur l’IA, des applications qui traitent toutes d’énormes quantités de données et des tâches complexes. Le projet a également créé une bibliothèque ouverte sur les FPGA. Elle est constituée de 31 composants matériels qui prennent en charge les opérations algébriques linéaires fondamentales et les méthodes de résolution de problèmes d’ingénierie assistée par ordinateur, qui sont essentielles aux applications d’apprentissage artificiel et automatique. «OPTIMA a démontré que les technologies basées sur les FPGA peuvent améliorer les systèmes HPC pour l’industrie», déclare Iakovos Mavroidis. La bibliothèque étant ouverte à tous, les développeurs peuvent aisément transférer les applications et le code existant vers les systèmes HPC supportés par des FPGA. Le projet a été réalisé avec le soutien de l’entreprise commune européenne pour le calcul haute performance (EuroHPC JU), une initiative conçue pour développer un écosystème de supercalculateurs de classe mondiale en Europe. «Le projet OPTIMA soutient l’objectif d’EuroHPC JU de faire de l’Europe un leader dans le domaine du HPC, soutien qui constitue un excellent exemple de projet EuroHPC mené par une petite entreprise», souligne Iakovos Mavroidis.
Les choses s’accélèrent
L’équipe a la conviction que la bibliothèque open-source d’OPTIMA va continuer à se développer et deviendra une ressource précieuse pour les développeurs de logiciels qui souhaitent optimiser leurs applications pour les plateformes HPC supportées par les FPGA. Les PME partenaires exploitent à présent l’expertise acquise lors de l’adaptation des applications aux plateformes d’OPTIMA. Il s’agit notamment du développement de nouvelles applications pour les systèmes cloud avancés, les accélérateurs d’IA, les GPU et d’autres conceptions de puces.
Mots‑clés
OPTIMA, EuroHPC JU, accélérateurs basés sur des FPGA, prototypes, HPC, industrie, affaires, matériel, optimiser, supercalculateur
