vignette|redresse=1.2|Le supercalculateur IBM Blue Gene/P de l'Argonne National Laboratory fonctionne avec utilisant un système de refroidissement standard par air, groupé dans et interconnectés par un réseau de fibre optique à haute vitesse. (2007). vignette|redresse=1.2|Le superordinateur Columbia du centre de recherche Ames Research Center de la NASA, composé de Intel Itanium 2, regroupés en de , et exécutant un système d'exploitation Linux (2006).
Un superordinateur ou supercalculateur est un ordinateur conçu pour atteindre les plus hautes performances possibles avec les techniques connues lors de sa conception, en particulier en ce qui concerne la vitesse de calcul. Pour des raisons de performance, c'est presque toujours un ordinateur central, dont les tâches sont effectuées en traitement par lots.
La science des superordinateurs est appelée « calcul haute performance » ( ou HPC). Cette discipline se divise en deux : la partie matérielle (conception électronique de l'outil de calcul) et la partie logicielle (adaptation logicielle du calcul à l'outil). Ces deux parties font appel à des champs de connaissances différents.
Historique
vignette|gauche|upright=1.2|Superordinateur CDC 6600 avec sa console. Lancé en 1964. Les premiers superordinateurs (ou supercalculateurs) apparaissent dans les années 1960. En 1961, IBM développe, à l’instigation du Lawrence Livermore Laboratory., l’IBM Stretch ou IBM 7030, dont une unité est exploitée en France. en 1963.
À cette époque, et jusque dans les années 1970, le plus important constructeur mondial de superordinateurs est la société (CDC), avec son concepteur Seymour Cray.. Par la suite, , fondée par Seymour Cray après son départ de CDC, prend l’avantage sur ses autres concurrents, jusqu’aux alentours de l'année 1990. Dans les années 1980, à l’image de ce qui s’était produit sur le marché des micro-ordinateurs des années 1970, de nombreuses petites sociétés se lancèrent sur ce marché, mais la plupart disparaissent dans le « » du marché des superordinateurs, au milieu des années 1990.
Ce que désigne le terme superordinateur varie avec le temps car, comme le suggère la Loi de Moore, les ordinateurs les plus puissants du monde à un moment donné tendent à être égalés, puis dépassés, par des machines d’utilisation courante plusieurs années après. Les premiers superordinateurs CDC étaient de simples ordinateurs mono-processeurs (mais possédant parfois jusqu’à dix processeurs périphériques pour les entrées-sorties) environ dix fois plus rapides que la concurrence. Dans les années 1970, la plupart des superordinateurs adoptent un processeur vectoriel, qui effectue le décodage d’une instruction une seule fois pour l’appliquer à toute une série d’opérandes.
vignette|upright=1.1|Un supercalculateur Cray-2, inventé par Seymour Cray et lancé à partir de 1985.
C’est seulement vers la fin des années 1980 que la technique des systèmes massivement parallèles est adoptée, avec l’utilisation dans un même superordinateur de milliers de processeurs. Depuis le milieu des années 1990, certains de ces superordinateurs parallèles utilisent des microprocesseurs de type « RISC », conçus pour des ordinateurs de série, comme les PowerPC. ou les PA-RISC. D’autres supercalculateurs utilisent des processeurs de moindre coût, de type « CISC », microprogrammés en RISC dans la puce électronique (AMD ou Intel) : le rendement en est un peu moins élevé, mais le canal d’accès à la mémoire — souvent un goulet d’étranglement — est bien moins sollicité.
Au , les superordinateurs sont le plus souvent conçus comme des modèles uniques par des constructeurs informatiques « traditionnels » comme International Business Machines (IBM), Hewlett-Packard (HP), ou Bull, qu’ils aient derrière eux une longue tradition en la matière (IBM) ou qu’ils aient racheté dans les années 1990 des entreprises spécialisées, alors en difficulté, pour acquérir de l’expérience dans ce domaine.
Utilisation vignette|upright=1.1|Total de la puissance de calcul des supercalculateurs mondiaux, de 1993 à 2008 (selon le classement TOP500).
Les superordinateurs sont utilisés pour toutes les tâches qui nécessitent une très forte puissance de calcul, comme les prévisions météorologiques, l’étude du climat (à ce sujet, voir les programmes financés par le G8-HORCs), la modélisation d'objets chimiques (calcul de structures et de propriétés, modélisation moléculaire), les simulations physiques (simulations aérodynamiques, calculs de résistance des matériaux, simulation d'explosion d'arme nucléaire, étude de la fusion nucléaire), la cryptanalyse ou les simulations en finance et en assurance (calcul stochastique).
Les institutions de recherche civiles et militaires comptent parmi les plus gros utilisateurs de superordinateurs.
En France, on trouve ces machines dans les centres nationaux de calculs universitaires, tels que l'Institut du développement et des ressources en informatique scientifique (IDRIS), le Centre informatique national de l'enseignement supérieur (CINES), mais aussi au Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), dans certaines grandes entreprises, comme Total, EDF, Météo-FranceClassement Top 500 Juin 2013. ou encore à la Direction générale de la Sécurité extérieure (DGSE) pour ses besoins en cryptanalyse.
Conception Composants et architecture vignette|upright=1|Le superordinateur FSL JET du de la National Oceanic and Atmospheric Administration (2000).
Les superordinateurs tirent leur supériorité sur les ordinateurs conventionnels à la fois grâce à : leur architecture, en « » (exécution d’une instruction identique sur une longue série de données) ou parallèle (nombre très élevé de processeurs fonctionnant chacun sur une partie du calcul), qui leur permet d’exécuter plusieurs tâches simultanément ; des composants électroniques rapides (structure de type serveurs lame utilisant des processeurs multi-cœur ou des cartes graphiques dédiées au calcul scientifique de dernière génération, de la mémoire vive et des équipements de stockage de masse — disque dur — reliés à la fibre optique en grande quantité) associés à un système d'exploitation dédié (comme Linux, majoritairement utilisé actuellement).
vignette|gauche|upright=1|Une lame HS20.
Ils sont presque toujours conçus spécifiquement pour un certain type de tâches (le plus souvent des calculs numériques scientifiques : calcul matriciel ou vectoriel) et ne cherchent pas de performances particulières dans d'autres domaines.
L’architecture mémorielle des supercalculateurs est étudiée pour fournir en continu les données à chaque processeur afin d’exploiter au maximum sa puissance de calcul. Les performances supérieures de la mémoire (meilleurs composants et meilleure architecture) expliquent pour une large part l’avantage des superordinateurs sur les ordinateurs classiques.
Leur système d’entrée/sortie (bus) est conçu pour fournir une large bande passante, la latence étant moins importante puisque ce type d’ordinateur n’est pas conçu pour traiter des transactions.
Comme pour tout système parallèle, la loi d’Amdahl s’applique, les concepteurs de superordinateurs consacrant une partie de leurs efforts à éliminer les parties non parallélisables du logiciel et à développer des améliorations matérielles pour supprimer les goulots d'étranglement restants.
Principaux obstacles techniques vignette|upright=1.2|Supercalculateur IBM Blue Gene/Q de l'Argonne National Laboratory ().
D'une part, les superordinateurs ont souvent besoin de plusieurs mégawatts de puissance électrique. Cette alimentation doit aussi être de qualité. En conséquence, ils produisent une grande quantité de chaleur et doivent donc être refroidis pour fonctionner normalement. Le refroidissement de ces ordinateurs (par exemple à air) pose souvent des problèmes importants de climatisation.
D'autre part, les données ne peuvent circuler plus vite que la vitesse de la lumière entre deux parties d'un ordinateur. Lorsque la taille d’un superordinateur dépasse plusieurs mètres, le temps de latence entre certains composants se compte en dizaines de nanosecondes. Les éléments sont donc disposés pour limiter la longueur des câbles qui relient les composants. Sur le Cray-1 ou le Cray-, par exemple, ils étaient disposés en cercle.
De nos jours, ces ordinateurs sont capables de traiter et de communiquer de très importants volumes de données en très peu de temps. La conception doit assurer que ces données puissent être lues, transférées et stockées rapidement. Dans le cas contraire, la puissance de calcul des processeurs serait sous-exploitée (goulot d’étranglement).
Historique des records
Date Superordinateur Constructeur Type de processeurs ; fréquence Nombre de processeurs Puissance réelle Emplacement Z1 Konrad Zuse Chez Konrad Zuse Z2 Konrad Zuse Chez Konrad Zuse Z3 Konrad Zuse TRE Colossus Mark I TRE Colossus Mark II TRE ENIAC 1956 TX-0 MIT Lincoln Laboratory 1958 TX-2 MIT Lincoln Laboratory , 1958 IBM IBM 2 et David Taylor Model Basin IBM 7030 IBM , 16K mots de 64 bits 1964 CDC 6600 CDC 1969 CDC 1974 CDC 16 bits 1975 , 64 bits 256 (NASA) 1976 Cray-1 Cray , 64 bits 2 1981 CDC 32 / 64 bits Plusieurs endroits dans le monde 1982 Cray X-MP Cray Cray Vector, 2 Plusieurs endroits dans le monde USDA National Nutrient Database for Standard Reference, sur nal.usda.gov. 1984 Cray X-MP/48 Cray Cray Vector, 4 Plusieurs endroits dans le monde 1984 M-13 1985 Cray-2 Cray Cray Vector, 4 1989 Université de l’État de Floride 1993 SPARC 1993 Fujitsu Fujitsu VPP500 140 1994 XP/S140 Intel Intel Paragon 1994 Fujitsu Fujitsu VPP500 140 1996 SR2201 Hitachi Hitachi SR2201 Université de Tokyo 1996 CP-PACS Hitachi Hitachi SR2xxx CP-PACS 1997 Intel Intel Paragon ASCI-Red 1997 Intel Intel Paragon ASCI-Red 1999 Intel Intel Paragon ASCI-Red 1999 Intel Intel Paragon ASCI-Red 2000 IBM IBM POWER3 2001 IBM IBM POWER3 2002 NEC NEC SX6 IBM SGI Intel (NASA) SGI Intel (NASA) IBM IBM IBM 2007 IBM PowerPC 440 2C 2008 IBM PowerXCell 8i , Los Alamos, Nouveau-Mexique 2009 Jaguar (amélioré en Titan) Cray Processeurs six cœurs AMD Laboratoire national d’Oak Ridge 2010 Tianhe-1A NUDT Hybride :Intel Xeon + GPU Nvidia Tesla M2050 + FeiTeng-1000 + National Supercomputing Center, Tianjin 2011 K computer Fujitsu SPARC64 VIIIfx , « Tofu interconnect » TOP500 List - November 2011 (1-100) sur top500.org. RIKEN, Kobe 2012 Sequoia IBM BlueGene/Q, Power BQC 16C , Custom TOP500 List - June 2012 (1-100) sur top500.org. Lawrence Livermore National Laboratory 2012 Titan (un Jaguar amélioré) Cray Hybride :AMD Opteron + Nvidia Tesla K20 Laboratoire national d'Oak Ridge 2013 Tianhe-2 Intel Hybride :Xeon E5-2692 + Xeon Phi + National University of Defense Technology« Le plus puissant super-ordinateur au monde est chinois », Le Monde.fr, 18 juin 2013., Guangzhou 2016 TaihuLight NRCPC / Sunway Sunway SW26010 260C National Supercomputing Center, Wuxi« La Chine devient la première puissance informatique au monde », Jean-Marc De Jaeger, Le Figaro.fr, 21 juin 2016. 2018 Behold Summit IBM / Nvidia Hybride :IBM POWER9 + Nvidia Tesla V100 + Laboratoire national d’Oak Ridge 2020 Fugaku Fujitsu / ARM ARM . RIKEN, Kobe. 2022 Frontier HPE HPE Cray EX235a 8 451 520 , DOE/SC/ORNL 2024 El Capitan HPE HPE Cray EX235a 9 988 224 , Lawrence Livermore National Laboratory
vignette|redresse=2.5|center|La part des CPU du TOP500 par famille de processeurs (juin 1993 - 2015).
Historique des records en France vignette|upright=1.2|Le supercalculateur Jade installé par le GENCI au Centre informatique national de l'enseignement supérieur (CINES), à Montpellier, France (2010). vignette|upright=1.2|Le supercalculateur Occigen installé par le GENCI au CINES, à Montpellier (2015).