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La simulation numérique repousse les limites de la connaissance de l'Univers

Paris, le 17  Septembre  2007 - 

Une équipe de chercheurs français, sous la direction de Romain Teyssier, astrophysicien au CEA, a mené à terme, dans le cadre du "Projet Horizon*", la plus grande simulation jamais réalisée de la formation des structures de l'Univers. Cette simulation, qui s'est appuyée sur le nouveau supercalculateur BULL du Centre de Calcul Recherche et Technologie (CCRT**), va permettre aux astrophysiciens de comparer leurs modèles aux observations astronomiques avec un réalisme sans précédent.

L'accroissement prodigieux des moyens de calcul permet des avancées scientifiques toujours plus importantes. En astrophysique, la résolution des équations de la mécanique des fluides autogravitants à l'aide d'algorithmes toujours plus efficaces et sur des supercalculateurs toujours plus puissants permet de modéliser la formation des structures de l'univers. « Partant des "conditions initiales" de notre univers, que l'on peut observer directement sur le rayonnement fossile à 3 degrés K1, il est possible de suivre les trajectoires individuelles d'un grand nombre de particules qui servent à décrire le fluide cosmologique », explique Romain Teyssier.

Avec près de 70 milliards de particules et plus de 140 milliards de mailles, le calcul réalisé au CCRT représente le record absolu pour un système à N2 corps modélisé par ordinateur. Pour la première fois dans l'histoire du calcul scientifique, il est possible de décrire la moitié de l'univers observable tout en couvrant une galaxie comme la Voie Lactée avec plus d'une centaine de particules !

Pour simuler un tel volume avec autant de détails, les membres du Projet Horizon ont utilisé les 6144 processeurs Intel Itanium2® du calculateur BULL NovaScale 3045 récemment installé au CCRT pour faire fonctionner à plein régime le programme "RAMSES". Celui-ci, développé au CEA en collaboration avec les astrophysiciens du Projet Horizon, met en jeu une grille adaptative3 permettant d'atteindre une finesse spatiale inégalée (l'équivalent d'une grille cubique de 262144 mailles de côté !). Grâce aux experts de BULL et du CCRT, ce programme a pu utiliser de façon optimale les ressources de l'ordinateur pendant près de deux mois, consommant plus de 18 Tera octets de mémoire vive et générant près de 50 Tera octets de données sur disque. Le même projet, réalisé sur un ordinateur individuel, aurait pris plus de mille ans !

« Avec cette nouvelle simulation, nous allons pouvoir prédire quelle est la distribution de matière dans l'Univers avec une précision et un réalisme sans précédent », poursuit Romain Teyssier. « Nous pourrons bientôt comparer le modèle avec les observations de tout le ciel bientôt disponibles grâce à la mission spatiale Planck de l'Agence spatiale européenne, dont le lancement est prévu en 2008. Nous allons aussi préparer les futures expériences de lentille gravitationnelle4, comme le projet « Dark UNiverse Explorer » dont l'objectif est de déterminer la nature de l'énergie noire ».

*Projet Horizon : il s'agit d'une collaboration entre le CEA, le CNRS et les Universités regroupant une vingtaine de chercheurs et d'enseignants, experts en simulation numérique et spécialistes de la formation des structures dans l'univers. Pour plus de détails, voir le site http://www.projet-horizon.fr.

**CCRT : ce centre de calcul haute performance est installé sur le site du CEA-DAM Ile-de-France et fait partie du complexe de calcul du CEA. Il dispose d'une puissance de calcul de plus de 50 Tera Flops pour permettre au CEA et à ses partenaires industriels (EDF, Safran, Onera, EADS/Astrium) et académiques de relever les défis aussi bien scientifiques qu'industriels de leurs projets de simulations numériques haute performance.

1. Ce rayonnement est la trace fossile de l'Univers lorsqu'il est enfin devenu transparent à la lumière: il est alors âgé de 380 000 ans. Cette lumière nous parvient 13 milliards d'années plus tard, et nous donne accès aux conditions qui régnaient alors dans le plasma cosmologique.

2. On appelle "système à N corps" un ensemble de points matériels, ou "particules" qui subissent leur attraction gravitationnelle mutuelle. Les systèmes à N corps demandent l'utilisation d'ordinateurs puissants pour pouvoir calculer les trajectoires de chaque particule.

3. Pour résoudre les équations de la mécanique des fluides à l'aide des ordinateurs, on discrétise l'espace en petits éléments de volumes ou "mailles". Cet ensemble de mailles, que l'on appelle "grille" ou "maillage", recouvre le système que l'on souhaite décrire, dans le cas présent une large fraction de l'Univers. Pour améliorer la précision du calcul, on utilise des mailles plus petites dans les régions denses comme les galaxies : le maillage s'adapte automatiquement en fonction des conditions locales, d'où le terme "maillage adaptatif".

4. La lumière provenant des galaxies les plus lointaines est défléchie par l'effet gravitationnel de la matière qui se trouve sur son trajet. Cet effet de "lentille", prédit par la théorie de la relativité générale d'Einstein, permet de mesurer la quantité de matière présente entre ces galaxies et nous, et donc de tester l'ensemble de la théorie de formation des structures de l'Univers.

A propos du CEA

Acteur majeur en matière de recherche, de développement et d'innovation, le Commissariat à l'Energie Atomique intervient dans trois grands domaines : l'énergie, les technologies pour l'information et la santé, la défense et la sécurité ; en s'appuyant sur une recherche fondamentale d'excellence.

Fort de ses 15000 chercheurs et collaborateurs, le CEA constitue une force d'expertise et de proposition pour les pouvoirs publics. Acteur moteur de l'innovation industrielle, le CEA développe des partenariats avec les industriels français et européens.

Pour plus d'information : www.cea.fr

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