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La loi de Moore
SETI à l'ère de l'électronique Le Dr. Gordon E. Moore, cofondateur d'Intel, découvrit en 1965 une loi empirique selon laquelle la complexité des circuits intégrés, le nombre de transistors et la puissance des processeurs doublaient tous les deux ans. Une tendance militaire voudrait même que ce taux s'établisse en l'espace de 15 à 18 mois. En fait, on constate que tous les 18 à 24 mois nous assistons à une progression technologique exponentielle depuis la fin des années '60 ayant pour résultat de doubler 20 fois ou d'un facteur d'environ 6 la capacité des chips. Cette courbe à même tendance à s'accélérer depuis 1996. Mais combien de temps ce progrès peut-il continuer ?
Lorsque la loi de Moore est présentée en coordonnées semilogarithmiques, comme Moore la présenta originellement, elle n'avait rien d'extraordinaire et on peut même la trouver banale. Mais si vous la tracer linéairement, plus en rapport avec notre expérience humaine, la loi de Moore représente un mur tendant vers la singularité. Les constructeurs ainsi que les scientifiques doivent tenir compte de cette évolution lorsqu'ils élaborent un projet à long terme car cela a des implications directes sur les coûts de production. Quant à la conception, il est difficile d'entrevoir le futur et il faut bien arrêter cette phase préliminaire un jour ou l'autre tout en utilisant la technologie la plus récente. Seul désavantage, cinq ou dix ans plus tard, lorsque le projet est enfin prêt, la technologie est déjà dépassée... Seule solution, créer un appareil modulaire, dont les différents éléments sont facilement remplaçables par de plus performants tout en gardant une compatibilité "downward" si nécessaire. Aujourd'hui on estime que la loi de Moore continuera certainement d'être valide jusqu'en 2012 et que toutes les sociétés, tous les chercheurs et tous les amateurs utilisant du matériel électronique ou informatique en tireront profit longtemps encore. Une conséquence économique La loi de Moore est une conséquence de l'évolution économique et non pas une loi de la physique. La taille du processeur à laquelle la loi de réfère est la dimension du plus grand chip commercialement disponible, non pas celle du plus grand qui puisse être produit en laboratoire où le coût n'est pas pris en considération. Aussi, pour poursuivre sa croissance, la physique doit supporter les besoins de la communauté. Mais comme en chimie, les ingénieurs laborantins sont en retard sur la pratique et nous devons souvent marquer le pas de quelques cycles d'horloges en attendant que le nouvel ordinateur sorte sur le marché. Le problème vient du fait que les constructeurs doivent toujours améliorer leur haute-technologie pour élaborer des appareils plus puissants, plus compacts, à prix constant. C'est pour cette raison que tous les trois ans environ vous pouvez acheter un nouvel ordinateur pour le même prix que votre ancien mais il sera au moins deux fois plus puissant, plus complet et peut-être même plus compact et équipés de moyens multimédia ignorés jusqu'alors.
Du point de vue de la physique, pour poursuivre cette croissance nous avons besoin de composants plus petits et plus denses, plus puissants, mais tout aussi fiables. Apparemment ce n'est pas un problème car ces composants fonctionnent en général très bien en laboratoire. Comme on le sait les pannes, les "blue screen" et autres "bombes" n'apparaissent qu'une fois l'appareil commercialisé et lors des démonstrations publiques, Bill Gates en personne en sachant quelque chose ! Les barrières qui s'opposent à ce progrès sont économiques et liées au développement. Des investissements très onéreux doivent être consentis pour développer de gros processeurs qui seront par la suite économiques à fabriquer. Le consensus s'établit en raison de l'énorme taille du marché électronique mondial (environ 10 mille milliards de dollars par an) et le développement suit automatiquement. Le reste est une question de politique commerciale et de marketing. Jusqu'où
la loi de Moore peut-elle aller ?
Suivant
la loi de Moore, l'évolution technologique a progressé de façon
exponentielle en quelques décennies. En 2006, soit 25 ans après le
premier PC, le processeur le plus rapide équipant un micro-ordinateur était
cadencé à 3.8 GHz (AMD Athlon 64 X2, 190€) et pouvait exécuter 3.8 milliards d'opérations par
seconde ! L'ordinateur le moins cher pouvant l'utiliser revenait à environ 1000€,
soit 3 à 4 fois moins cher qu'il y a une génération pour des
performances plus de mille fois supérieures !
Le
superordinateur vectoriel NEC
SX-8 sorti en 2004 : 65 TFlops, soit 17 fois la vitesse de calcul
d'un PC équipé d'un processeur AMD Athlon 64 X2 ! Ce superordinateur
est capable de modéliser le climat à l'échelle d'un quartier ! Le superordinateur le
plus rapide était et reste encore le NEC
SX-8 présenté à gauchee capable d'effectuer... 65 milliards d'opérations
par seconde, soit 65 teraflops ! Il se loue actuellement pour 3.8
millions d'euros/an, notamment à Météo-France pour le modèle Arome.
Peut-on aller plus loin et à quel coût ?
Cette
question économique intéresse énormement de personnes dont la
société Sematech par exemple,
constructeur de processeurs qui rédiga en 1997 un rapport sur l'état de
la technologie électronique et son évolution au cours des 15 années à
venir. Dans son étude elle prédit que la loi de Moore continuera de
progresser jusqu'en 2012. Elle prend en considération toutes les phases
du développement telles que les ressources, la conception, les tests,
l'intégration, le traitement, la lithographie, l'interconnexion,
l'assemblage, le packaging, l'environnement, la réduction des défauts,
la métrologie, la modélisation ou les simulations.
Ainsi,
entre 2004 et 2006, la vitesse des ordinateurs domestiques les plus
puissants est passée de 3 à 15 Tflops (record détenu par le
superordinateur apeNEXT
constitué de 16 CPU fabriqué par 1a société italienne Eurotech qui
fabrique en parallèle un ordinateur-bracelet WL1000
cadencé à 400 MHz) !
Au-delà
de 2012 la situation est moins claire. A la densité estimée des
composants - on parle de nanotechnologique - la physique actuellement utilisée ne fonctionne plus aussi
bien car les effets quantiques commenceront à dominer sur les processus.
Toutefois, les mêmes effets quantiques permettront d'élaborer de
nouveaux appareils plus petits assurant les mêmes fonctions et qui seront
encore plus performants. A ce moment là nous seront toujours quelques
ordres de grandeurs au-dessus des limites physiques apparentes de ces
composants, qui peuvent par exemple se limiter à... un seul électron !
Nathan Myhrvold, le technology master, autrement dit le cerveau de Microsoft.
Un
autre exemple de croissance exponentielle est connu sous la loi de Neilsen
de la bande passante d'Internet. Dans les années 1970 nous utilisions des
modems asynchrones de 33.6 K, jugés très rapides. Même les sondes
spatiales Pioneer et Voyager ne transmettaient pas plus vite leurs
données. A la fin des années 1980 le modem de 56 K était le standard et au
tournant du millénaire la connexion permanente ADSL était disponible
dans la plupart des foyers connectés à Internet; les coûts étaient
réduits et la rapidité de 520 KB/sec à 1 MB/sec suffisante pour
télécharger des images ou des vidéos ainsi que pour établir des
liaisons continues en "streaming" audio ou vidéo. La
loi de Neilsen stipule que les connexions à hauts débits doubleront tous
les 21 mois (plus lentement que la loi de Moore). Toutefois cette
amélioration ne pourra pas tout de suite être appliquée chez le
particulier car l'infrastructure physique et les serveurs d'accès doivent
d'abord être mis à jour pour supporter cette cadence. En
planifiant la prochaine génération de systèmes, les utilisateurs
doivent garder le contrôle de toutes les ressources et des connexions
qu'ils utilisent. Cela permettra à chacun d'optimiser les bénéfices
qu'il retire des facteurs de cette croissance exponentielle. SETI
et la
Examinons si les algorithmes spécifiquement utilisés par SETI continueront à suivre la loi de Moore. Deux questions se posent : celle de la vitesse des processeurs en fonction de la densité et celle des algorithmes série vis-à-vis du traitement parallèle. En analysant le rapport de Sematech on apprend que la vitesse des processeurs ne suit pas aussi rapidement l'augmentation de la densité électronique. Entre 1997 et 2007 par exemple, les processeurs deviendront 24 fois plus gros mais ils tourneront seulement 10 fois plus vite (400 MHz - 4 GHz). Un algorithme purement série, dans lequel une action est exécutée avant la suivante, voit sa vitesse d'exécution suivre la vitesse du processeur. Sa progression va donc s'accroître 10 fois sur la même période parce qu'il ne peut tirer avantage que de la vitesse réelle du processeur et aucunement du matériel complémentaire telle que l'accroissement de la densité des processeurs. Un algorithme parallèle d'un autre côté peut distribuer le traitement entre unités. Ce traitement parallèle ne perturbe en rien l'efficacité du système. Un tel algorithme accroît la vitesse de traitement proportionnellement à la densité du processeur ainsi que de sa vitesse. Si nous utilisons 64 fois plus de processeurs, chacun cadencé 10 fois plus rapidement, nous obtenons une vitesse 640 fois plus rapide et de 4 GHz nous passons à ... 2.5 THz. La plupart des algorithmes consistent en un système à la fois série et parallèle. Si vous essayez d'installer plus de cartes processeurs pour faire tourner l'application plus rapidement, la partie série deviendra finalement le facteur limitatif du système. Vous allez pouvoir augmenter la vitesse de la partie parallèle de l'application, mais pas la partie série qui formera le goulot d'étranglement du système. C'est donc la partie série de l'algorithme qui détermine en dernier ressort votre vitesse maximale d'exécution. Heureusement, la plupart des algorithmes SETI (beamforming, FFT, etc) utilisent une très petite partie série mais une énorme fraction du système fonctionne en mode parallèle. Le calcul des délais entre signaux atteignant une antenne, indépendants de la bande passante, s'effectue en série. Tout le reste, la sommation des amplitudes dans la bande passante considérée se fait en parallèle.
On peut également calculer les délais et les amplitudes pour toutes les antennes en parallèle. Depuis que les unités parallèles dominent les coûts de ces traitements et que des composants plus rapides sont disponibles, les chercheurs peuvent utiliser cette technologie avec de larges bandes passantes. Le traitement des signaux par FFT tire également avantage de cartes processeurs supplémentaires pour améliorer la cadence du système. Finalement le spectre analysé peut être considéré comme un ensemble de plus petites bandes passantes mises en parallèle, faiblement pénalisées en raison de la superposition inévitable aux limites des bandes analysées. Ainsi que le montre bien le graphique présenté à gauche, le nombre de canaux analysés par les programmes SETI suit la loi de Moore depuis Ozma en 1960. Etant donné que les algorithmes SETI s'adaptent facilement au traitement parallèle, il ne fait aucun doute que SETI continuera à tirer avantage de la puissance des ordinateurs mis en parallèle ainsi que nous le promet la loi de Moore. SETI et l'informatique distribuée L'évolution des réseaux informatiques est étroitement liée à celle des ordinateurs. Quelques grands projets tel que l'analyse cryptographique ou l'étude génétique tirent aujourd'hui avantage du traitement parallèle pour résoudre ces questions. Pour résoudre ces problèmes encore plus rapidement, ces projets ont sollicité l'aide de centaines et de milliers de machines d'utilisateurs connectés à Internet dont les PC étaient en veille. Pour déterminer si le type d'ordinateur peut-être utilisé de la cadre du projet SETI, nous devons répondre à trois questions : - Les algorithmes permettent-ils un traitement distribué ? Oui, et ils sont hautement parallèles - Les ressources informatiques sont-elles disponibles ? Oui, SETI@home permet à des particuliers de dédier les cycles de veille de leur ordinateur à SETI. A ce jour chaque ordinateur peut traiter une bande passante de 100 kHz. Avec 600000 utilisateurs actifs cela représente une bande passante traitée en temps réel de 600 GHz. - Ce réseau peut-il supporter la bande passante requise ? En l'an 2000 Internet ne pouvait pas supporter ce volume de traffic. Supporter 60 GHz de bande passante nécessiterait un radiotélescope qui, connecté à Internet devrait gérer un échantillonnage de 80 milliards de données par seconde. C'est environ 10 ordres de grandeur plus rapide que la connexion Internet d'Arecibo. C'est pourquoi SETI@home, avec toute sa puissance de calcul distribuée, mais offrant une capacité I/O limitée (celle de votre connexion ADSL) envoye ses données traitées sur des disques durs à Arecibo. SETI@home utilise sa puissance de calcul pour rechercher de nombreux types de signaux et de taux de variation dans une étroite bande passante, plutôt que de se limiter à détecter quelques types de signaux artificiels dans une large bande passante. La puissance de traitement étant aujourd'hui disponible et les réseaux informatiques ayant transformé la planète en un village global, la technologie informatique est devenue plus fiable et plus simple à utiliser. Il ne fait aucun doute qu'à l'avenir une grande série de projets SETI en tireront avantage.
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