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Calculateur parallèle

Le terme de cluster (ou grappe, en français) désigne un ensemble d'ordinateurs indépendants, appelés nœuds, tous interconnectés par un réseau dédié. On dispose ainsi d'une machine capable de traiter des problèmes de très grande taille, en utilisant la puissance cumulée de ses noeuds.

Le Centre des Matériaux qui a fait le choix, depuis 1999, de cette technologie évolutive et de bon rapport performance/prix, s'est doté en 2010 d'un nouveau cluster de calcul à base de processeurs 64 bits Opteron.

Le cluster de 2005 avait été acquis grâce au soutien financier du Conseil Général de l'Essonne et du Conseil Régional d'Ile-de-France, dans le cadre d'une opération de la Fédération Ile-de-France Sud «Mécanique et Matériaux».

Description technique

Architecture

• 58 nœuds de calcul représentant un total de 1 344 coeurs,
• 9 To de mémoire globale,
• 1 serveur de fichiers d'une capacité de 72 To utiles,
• 1 réseau Ethernet Gigabit pour le calcul,
• 1 réseau Ethernet 100 Mbits dédié pour l'administration,
• 1 poste maître pour l'accès et la gestion du cluster.

Configuration des nœuds

• Bi-processeurs ou quadri-processeurs 64 bits AMD Opteron 6134 octo-coeurs cadencés à 2.3 Ghz de 64 à 512 Go de mémoire selon les nœuds,
• 2 To de disque dur SATA local,
• 2 cartes réseau Ethernet 10/100/1000 et une carte de management dédiée.

Logiciels

• Logiciel de clustering Bright Cluster Manager,
• Logiciels scientifiques :
  • Zset/ZeBuLoN : calcul parallèle par éléments finis (Centre des Matériaux, Onera, NothWest Numerics),
  • Metis, SplitMesh (Onera) : outils pour le partitionnement de maillages,
  • Blsurf, Ghs3d, Yams : logiciels de maillage et remaillage (INRIA),
  • Matlab : calcul formel.

Performances

Dans sa configuration d'achat, la puissance théorique du cluster de 2005 était 10 fois inférieure à la première machine française et 500 fois inférieure à la première machine mondiale, mais le placait, à l'époque, parmi les 2000 plus gros calculateurs du monde.

Le Savoir-faire

En mécanique des matériaux et des structures, la demande industrielle comme celle des chercheurs conduit à des simulations de plus en plus volumineuses, parce qu'il est nécessaire d'affiner les géométries (géométrie des composants, forme des microstructures), et parce que les lois de comportement des matériaux sont de plus en plus complexes. Les calculs ne sont alors plus réalisables sur des machines classiques en un temps raisonnable, mais peuvent être effectués en quelques jours sur la nouvelle machine parallèle, pour des cas de calculs à plusieurs millions de degrés de liberté. La méthode de calcul parallèle retenue s'appuie sur une décomposition de domaines, et une résolution itérative du problème aux interfaces (méthode FETI). Elle s'accommode parfaitement de la configuration de la machine, qui est à mémoire distribuée. Le travail s'effectue en coopération avec des équipes de l'ONERA et de l'ENS Cachan.

Calcul de structures

Pour les calculs d'aube de turbine de moteur aéronautique (planches ci-jointes), on est passé d'une simple tranche simulée avec un modèle de matériau isotrope à des simulations 3D prenant en compte le caractère monocristallin du matériau, et la géométrie locale réelle. Mais les champs locaux autour des trous ne sont pas encore représentés de façon satisfaisante. La réalisation de ces calculs sans hypothèse simplificatrice nécessite des maillages de plusieurs millions de noeuds, ce que le cluster actuel nous permet d'envisager.

Hormis l'aéronautique, les domaines concernés sont ceux de l'énergie (centrales nucléaires ou thermiques), des transports (automobile, ferroviaire), mais aussi la micro-électronique (contraintes résiduelles dans les circuits) et les technologies émergentes (hydrogène, etc.).

Calcul de microstructures

Présents dans la littérature depuis les années 90, les calculs d'agrégats ont d'abord eu pour rôle de déterminer le comportement moyen d'un matériau homogène. En accord avec les progrès des moyens de mesure en micromécanique, on a souhaité ensuite obtenir des informations plus locales, en moyenne sur chaque phase. La tendance actuelle cherche à caractériser des champs locaux à l'échelle de la microstructure, afin de fournir des variables critiques pertinentes pour les modèles d'endommagement et d'amorçage de fissure. La planche ci-contre représente par exemple un résultat de calcul sur un polycristal de cuivre, comportant près de deux millions de nœuds.