Informatique Merlin-7 : un nouveau modèle pour le calcul intensif

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L'Institut Paul Scherrer PSI se dote d'un nouveau cluster hautement performant: Merlin-7 est une plateforme de calcul destinée à réaliser des simulations et des analyses de données ambitieuses. Vous ne le trouverez toutefois pas au PSI à Villigen, mais à Lugano, au Centre suisse de calcul scientifique (CSCS). En effet, il fait partie d'Alps, le huitième ordinateur le plus rapide au monde actuellement. Le PSI et le CSCS entament ainsi une nouvelle ère en matière de science informatique en Suisse.

Le PSI est à la pointe de la recherche internationale dans plusieurs disciplines. Il doit ce succès, entre autres, à une série de clusters de calcul performants (Merlin-1 à Merlin-6), qui ont formé pendant deux décennies la colonne vertébrale de la recherche étayée par un important volume de données. Chacun de ces clusters était nettement plus rapide que son prédécesseur. Leur point commun ? Leurs composants matériels étaient installés dans le centre de calcul interne du PSI.

L'institut rompt avec la tradition pour la toute nouvelle mise à niveau. Merlin-7 n'est plus sur le campus, mais au Centre suisse de calcul scientifique (CSCS) à Lugano, plus précisément dans le quartier de Cornaredo. Ou, plus précisément encore : Merlin-7 n'est pas une machine autonome à proprement parler. Au centre du CSCS, il fait plutôt partie d'une unité de calcul nettement plus vaste, à savoir le superordinateur national appelé Alps, doté de 14 000 processeurs.

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Avec Merlin-7, les scientifiques du PSI n'accèdent plus, pour leur travail, à une machine physique rangée dans une armoire, sur laquelle collerait le logo du PSI. Au lieu de cela, Merlin-7 se trouve sur une « île » virtuelle qui utilise une partie fixe de l'énorme capacité de calcul d'Alps et fournit aux scientifiques une puissance adaptée à leurs besoins. Pour les chercheuses et les chercheurs, le système ne se distingue pas des systèmes internes précédents. Il est en effet pleinement intégré dans le réseau et les services du PSI, la seule différence étant qu'il se trouve de l'autre côté du Gothard.

Plus flexible, économe et rapide

Le passage du centre de calcul interne au cluster haute performance partagé présente de nombreux avantages, notamment une plus grande flexibilité en termes de capacité de calcul disponible. Lorsqu'ils doivent s'acquitter de tâches nécessitant une puissance de calcul importante, les scientifiques du PSI ont la possibilité d'obtenir plus de puissance à court terme.

Alps n'est pas simplement un outil de calcul rapide, mais le point de départ d'une ère nouvelle, avec une infrastructure centrale et homogène pour le calcul intensif en Suisse. « Avec l'architecture inspirée du cloud, Alps nous permet de réaliser des clusters de calcul virtuels et de les adapter aux besoins spécifiques des communautés d'utilisatrices et d'utilisateurs », explique Thomas Schulthess, directeur du CSCS.

En plus de cette utilisation flexible, le cluster se distingue également par son efficacité à toute épreuve. Compte tenu de sa puissance de calcul, Alps consomme nettement moins d'électricité que la plupart des autres superordinateurs de sa catégorie. Ce résultat est d'une part le fait du matériel efficace du point de vue énergétique et, d'autre part, du refroidissement naturel de l'installation, qui est effectué avec de l'eau puisée dans les profondeurs du lac de Lugano.

Grâce à du matériel à la pointe de la modernité, Alps offre surtout de nombreuses nouvelles possibilités d'utilisation spécialisées. Alun Ashton, qui dirige l'infrastructure informatique pour les applications scientifiques au PSI, le confirme : « Grâce à ses microprocesseurs Grace Hopper de NVIDIA, Alps convient à merveille pour les applications de l'intelligence artificielle qui sont aujourd'hui déjà utilisées dans de nombreux projets au PSI, par exemple pour étudier la dynamique des protéines et leur conception ciblée. »

La fibre optique pour vaincre la distance

Malgré le fait que Merlin-7 ne se trouve pas sur le campus du PSI, les scientifiques qui s'en servent ne perçoivent pratiquement pas de différence. « Pour nos utilisatrices et nos utilisateurs, rien ne change », affirme Alun Ashton. « Grâce à deux câbles à fibre optique avec un débit de transmission des données de 100 gigabits par seconde, nos collaboratrices et collaborateurs ont l'impression que Merlin-7 se trouve juste à côté de leur bureau, comme avant, et non pas à Lugano. »

Alors que le CSCS fournit les services informatiques de base sous forme d'« Infrastructure as a Service » (IaaS), c'est-à-dire une infrastructure centralisée pouvant être utilisée sans matériel propre sur place, l'équipe d'Alun Ashton prend en charge la gestion complète de la plateforme de cluster virtuelle. Cela comprend la configuration du système d'exploitation, la mise à disposition des logiciels scientifiques, la gestion du stockage et l'exploitation pour les quelque 90 groupes de recherche du PSI qui utilisent le système. Cette répartition des tâches soulage les collègues de Lugano : ils peuvent se concentrer pleinement sur le fonctionnement opérationnel d'Alps et n'ont pas à s'occuper du support utilisateur au PSI. Le PSI est ainsi le premier locataire à utiliser Alps en tant que modèle IaaS.

Alps, et donc aussi Merlin-7, se trouvait en phase de test à compter de 2021. Depuis janvier 2025, il est en service régulier dans sa configuration finale. Météo Suisse, l'Office fédéral de la météorologie et de la climatologie, est un autre locataire, qui établit ses prévisions météorologiques précises à l'aide de la puissance de calcul d'Alps et qui pourrait à l'avenir utiliser un modèle d'utilisation similaire à celui qui a été développé par le PSI et le CSCS. À cela s'ajoutent les universités du domaine des EPF et le CERN qui profitent déjà aujourd'hui des ressources de calcul du CSCS, tout comme de nombreux autres groupes de recherche dans les universités suisses.

Preuve de performance et course héroïque

En août 2024, Alps a montré de manière exemplaire de quoi il était capable. Au cours d'une « course héroïque », un seul groupe de recherche du PSI a pu exploiter la pleine puissance du superordinateur pendant une tâche de calcul d'une durée de 20 heures.

Giovanni Pizzi du laboratoire de simulation des matériaux au Centre de calcul scientifique, théorie et données, a réalisé avec Nicola Marzari, qui dirige le laboratoire, près de 100 000 calculs individuels et a simulé des milliers de structures de matériaux en parallèle. Ensemble, ils ont pu déterminer les propriétés d'environ 20 000 structures de cristaux. « La puissance du nouveau superordinateur Alps est fabuleuse », constate Giovanni Pizzi. Cet essai couronné de succès a montré la polyvalence et la capacité d'Alps, en particulier pour la résolution de tâches complexes utilisant un important volume de données dans des domaines tels que la science des matériaux, la physique des particules et la recherche sur l'intelligence artificielle.

Merlin-7 doit maintenant être mis à l'épreuve. Si tout fonctionne comme prévu, ses prédécesseurs Merlin-5 et Merlin-6 seront arrêtés dans le courant de l'année. Dès cet instant, les calculs des scientifiques du PSI se feront définitivement de l'autre côté des Alpes, sous le soleil du Tessin. MSM

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