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Simulation et défense (3/5)
Mis à jour le août 2007
La simulation numérique
L’histoire de la simulation numérique en quelques dates…
| 1939-1945 La simulation numérique est apparue en même temps que l’informatique pour les besoins du projet Manhattan pendant la Seconde Guerre mondiale, afin de modéliser le processus de détonation nucléaire. Depuis, elle a évolué parallèlement à l’informatique. |
1944 Colossus est une autre machine destinée au calcul intensif. Elle « cassait » les codes secrets nazis. Mais il s’agit d’une calculatrice spécialisée difficilement programmable. |
1948 Naissance de Baby, le premier véritable ordinateur puisqu’il respecte le principe de programme enregistré en mémoire centrale. |
| 1950 L’ordinateur devient un produit : 45 exemplaires de l’Univac1 de Konrad Zuse sont livrés. En 1955, l’IBM 704, premier ordinateur commercial scientifique avec virgule flottante, apparaît aux États-Unis. |
1957 La révolution CDC. La société Control Data Corporation va lancer une impressionnante série d’ordinateurs à vocation scientifique : le CDC 1604, le CDC 6600, premier supercalculateur commercial. Celui-ci séduit les laboratoires américains et français impliqués dans le développement de l’arme nucléaire. |
1969 L’architecte de CDC, Seymour Cray, lance le CDC 7600, dix fois plus puissant. L’air pulsé ne suffisant plus, ses modules sont refroidis par circulation d’un liquide. |
| 1972 Création de Cray Research, qui se donne pour objectif de construire l’ordinateur le plus puissant du monde. Le Cray 1 devient LE supercalculateur vectoriel dès 1975. |
1982 Arrivée de son successeur multiprocesseur le Cray XMP, puis du Cray 2 en 1985. Celui-ci est si puissant qu’il est plongé directement dans un liquide réfrigérant : c’est le premier ordinateur aquarium. |
1989 CDC reprend la première place avec l’ETA 10. Des offensives viennent du Japon, la notion de « parallélisme » apparaît, donnant lieu à de multiples prototypes d’Intel, nCube, BBN, Meiko… Après une phase de prolifération, la sélection naturelle fait son œuvre. |
| ANNÉES 90 Le parallélisme se banalise, le processeur vectoriel recule devant le microprocesseur. Mais on voit aussi se multiplier des solutions mixtes réunissant, via un réseau d’interconnexions par messages, des nœuds constitués de plusieurs processeurs couplés par mémoire partagée. |
En France, le programme Simulation naît en 1996, lorsque le président de la République décide l’arrêt définitif des essais nucléaires et signe le Traité d’interdiction complète des essais (Tice), ratifié en 1998 par la Parlement. Conçu pour permettre de garantir la fiabilité et la sûreté des armes nucléaires françaises sans nouveaux essais, ce programme s’articule autour de trois volets : la modélisation physique, la simulation et l’expérimentation par parties.
REPRODUIRE LE FONCTIONNEMENT D’UNE ARME
La simulation numérique permet de reproduire, par le calcul, les différentes étapes de fonctionnement d’une arme avec une capacité de prédiction largement accrue par rapport à la période où les essais étaient possibles. Il faut d’abord, à partir de l’ensemble des phénomènes physiques impliqués (mécanique des fluides, transport de neutrons…), étudier la façon dont ils s’enchaînent et se couplent, trouver des modèles plus précis et établir les équations mathématiques
les représentant. Une fois le système d’équations posé, il faut analyser également les lois de comportement de la matière (équations d’état, sections efficaces neutroniques, coefficients de transport…) pertinentes dans ce domaine.
Ces modèles décrivent donc les étapes physiques (calculs d'énergie, de déformation des matériaux, de mélange de fluides, de rayonnements…) à l’œuvre dans une arme.
Des centaines d’ingénieurs informaticiens et numériciens écrivent des logiciels, soit des millions de lignes de codes développées à partir de modèles établis par autant de physiciens et validés in fine grâce aux expérimentations du passé. Avec les charges nucléaires (l’édifice explosif), dites « robustes », testées en 1995-1996, la France dispose d’une référence expérimentale peu sensible aux variations technologiques. La militarisation (c’est-à-dire l’adaptation de la charge à son emport) peut être alors effectuée sans essai, avec une modélisation des écarts engendrés par cette opération faite par la simulation.
Les modèles sont de plus en plus sophistiqués mais la contrainte de temps reste identique :
il faut faire tourner ce simulateur en quelques semaines maximum. Il faudra donc, à l’horizon 2010, un ordinateur d’une puissance évaluée à 500 téraflops crête, soit cinq cent mille milliards d’opérations par seconde. C’est l’architecture parallèle qui a été retenue pour atteindre, par paliers, cet objectif : 5 téraflops en 2001, 50 en 2005 et 500 en 2010.
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PHASE EXPÉRIMENTALE
La qualité et la capacité de prédiction de ces programmes seront vérifiées par des expériences de laboratoire réalisées sur deux instruments : Airix et le Laser mégajoule (LMJ).
L’installation de radiographie pour l’imagerie X (Airix), mise en service en décembre 1999, permet de valider les calculs de simulation de la phase pyrotechnique (détonateur et explosif) du fonctionnement d’une arme. Les expériences menées sur Airix sont appelées « tirs froids » : les matières fissiles sont remplacées par des matériaux inertes au comportement mécanique et thermique similaire. Airix permet de caractériser, à échelle réelle, des phénomènes comme la compression de la matière ou la répartition de sa densité au cours de l’implosion déclenchée par la mise à feu de l’explosif.
La radiographie par rayons X permet de savoir ce qui se passe lorsque les matériaux sont comprimés à la vitesse de 2 à 3 km/s, durant quelque dix millièmes de seconde, et d’en connaître la configuration interne.
Le second instrument, le Laser mégajoule (LMJ), qui est en cours de construction près de Bordeaux, sera capable de reproduire dans des microquantités de matière le processus physique de la fusion que l’on retrouve dans le fonctionnement d’une arme thermonucléaire. Le LMJ possédera 240 faisceaux ; la Ligne d’intégration laser (LIL), avec actuellement 4 faisceaux, en est le prototype. Sur la LIL, la source laser produit un faisceau infrarouge d’une énergie d’un milliardième de joule. Celui-ci est d’abord amplifié jusqu’à 1 J puis atteint 15 kJ en passant au travers de plaques de verre dopées au néodyme. Ce rayon est converti en un faisceau ultraviolet d’une énergie de 7,5 kJ. Alors seulement il entre dans la chambre d’expériences, une sphère de 4,5 mètres de diamètre. Dans le LMJ, les faisceaux devront tous converger, en même temps, sur une microbille contenant un mélange de deutérium-tritium pour déclencher la réaction de fusion.
centre de calcul pour le CEA et ses partenaires
VALIDATION NUMÉRIQUE GLOBALE
Après cette validation par parties, la qualité des logiciels sera vérifiée dans sa globalité sur le supercalculateur Tera. Les modèles obtenus doivent reproduire fidèlement certains essais nucléaires passés, dont tous les résultats et données ont été conservés sous forme numérique.
La gestion des données est aussi un point important : chaque jour, la machine produit plus de 3 téraoctets de données, c’est-à-dire de l’ordre d’un pétaoctet (1015 bits) par an. Comme il n’est pas envisageable de perdre les résultats de calculs qui ont duré plusieurs semaines sur des milliers de processeurs, des sauvegardes très régulières sont indispensables.
Depuis 2001, le CEA a ouvert ses puissants moyens de calcul à la communauté scientifique et au monde industriel. Il a mis à leur disposition en 2003 son Centre de calcul recherche et technologie (CCRT) sur le site de Bruyères-le-Châtel. Puis il a initié la création d’une technopole baptisée Ter@tec.
