Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Une équipe de chercheurs français, sous la direction de Romain Teyssier, astrophysicien au CEA (Service d'Astrophysique, CEA-DAPNIA), 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. Les premières images permettent une exploration virtuelle de l'univers avec une précision jamais encore atteinte (voir l'animation pour un voyage à travers un "cube" d'Univers).

Perspectives

L’activité de simulation numérique est appelée à évoluer très fortement dans les années à venir. Il n’est pas impossible de voire émerger des projets numériques ambitieux et structurés, à l’image des expériences de physique ou des missions spatiales. Des consortiums internationaux ont déjà vu le jour (Virgo Consortium, Grand Challenge Cosmology Consortium…). Dans certains cas, ils ont débouché sur des projets très ciblés (le FLASH Center à Chicago avec le code FLASH, le projet Zeus…). Le code ASH est déjà le fruit d'un « Grand Challenge in Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics in Turbulence » (lcd-www.colorado.edu)

Un contexte national favorable

Ce programme voit le jour aujourd’hui, dans un contexte favorable à la simulation numérique en astrophysique. Les programmes nationaux ont tous fait état d’un besoin pressant de soutien à l’égard de leurs activités en simulation numérique. Dans un panorama plus large, l’exercice de prospective auquel s’est livré le CNRS à la Colle-sur-le-Loup en 2003 a montré que la promotion de la simulation numérique en astrophysique était une des priorités de l’Institut national des sciences de l’Univers et de l’environnement (INSUE). Pour concrétiser cette volonté de soutien, l’INSU a d’ailleurs créé en 2002 l’Action spécifique pour la simulation numérique en astrophysique (ASSNA, présidé d’ailleurs par un membre du SAp), dont le but est précisément d’organiser l’activité de simulation, et de promouvoir des projets transverses en simulation numérique. Ces projets de simulations numériques seront mis en place au sein de plusieurs instituts (CNRS, universités et CEA). Il est impératif pour le SAp de se doter d’une structure humaine et matérielle crédible : c’est à ce prix que nous pourrons imposer notre leadership dans la communauté.

Des moyens de calcul de plus en plus lourds

L’accroissement prodigieux des moyens de calcul dans le monde permet des percées scientifiques toujours plus spectaculaires. Les architectures actuelles, dites « architectures massivement parallèles », permettent d’atteindre des mémoires et des vitesses toujours plus grandes, et par là même de résoudre des problèmes scientifiques toujours plus ambitieux. La complexité de ces machines croît malheureusement au même rythme : les simulations deviennent de plus en plus lourdes, l’analyse en local devient de plus en plus difficile, et demande une organisation complexe et efficace des ressources. Ainsi, pour bénéficier pleinement de l’essor des moyens de calcul, il est nécessaire de mettre en commun des moyens humains, matériels et logiciels. C’est l’objectif du programme « simulations numériques ». Pour faire vivre cette activité au sein du service d’astrophysique, il est nécessaire de disposer d’un soutien humain et matériel plus important.

Simulations numériques au CEA : une situation privilégiée

Le CEA présente de nombreux atouts pour promouvoir une activité de simulation numérique au sein du SAp.

Le CEA est un des premiers employeurs de mathématiciens appliqués en France (avec l’Inria et EDF). Le CEA-DAM et le CEA-DEN utilisent les simulations numériques de façon industrielle, avec aussi beaucoup de savoir-faire en recherche amont sur les algorithmes et le parallélisme. Cette situation unique nous conduit aux réflexions suivantes :
1. Notre groupe doit interagir avec des équipes spécialisées ailleurs au CEA, de façon à tirer parti au mieux de leur expertise. Nous participons ainsi régulièrement aux conférences de l’INSTN de Maths Applis.
2. Notre groupe peut aussi servir de relais aux ingénieurs du CEA qui souhaitent valoriser leurs travaux dans un cadre astrophysique. C’est le cas de Dubroca (CEA Cesta) qui collabore avec le SAp.
3. Notre groupe peut valoriser ses propres travaux en transférant son expertise propre vers d’autres groupes du CEA. C’est le cas des techniques de parallélisation du code RAMSES vers le code HERA du CEA Bruyères-le-Châtel (équipe de Jourdren) ou des techniques de transfert radiatif du code HR vers le code HARES du CEA CESTA..
4. Notre groupe peut finalement servir de relais pour des étudiants en simulation numérique en astrophysique, qui seraient plus tard embauchés ailleurs au CEA en simulation numérique aussi.


Le CEA est de loin le premier institut en France pour les moyens de calculs lourds. Le CEA-DAM est même le premier en Europe, mais l’ouverture de la machine Téra ne peut se faire qu’au cas par cas, sur des projets ponctuels. Le SAp peut néanmoins espérer tirer profit de cette situation unique, en pilotant un projet ponctuel au service de la communauté française dans son ensemble.

L’émulation créée autour de ces moyens de calculs semble d’ailleurs essaimer en dehors du CEA avec les projets TéraTec et NumaTec, dont le but est de réunir des entreprises, des universités et des laboratoires dans une communauté d’utilisateurs et d’experts en calcul numérique. Il est primordial pour le SAp de se doter rapidement d’une activité vivante et crédible autour de ces thèmes.

Le CEA se distingue des autres instituts de recherche par la gestion de carrières de ses chercheurs. Ces derniers peuvent bénéficier d’un avancement normal, indépendamment de la fréquence des publications scientifiques. La phase de développement d’un code peut durer assez longtemps avant d’espérer pouvoir en tirer des bénéfices scientifiques. Les chercheurs du CNRS ou des universités hésitent souvent avant de s‘engager dans des projets amitieux de codes numériques : ce n’est pas le cas des chercheurs du CEA, dont la « culture projet » se prête parfaitement à ce genre d’activité.

Vers une valorisation de l’activité « simulation numérique » ?

Une perspective intéressante pour le SAp concerne la valorisation (financière ?) de ses simulations numériques. Il existe un réel marché pour nos travaux dans le cadre de la communication scientifique « multimédia ». Il est courant pour les musées ou expositions à caractère scientifique de projeter des animations ou des vidéos. Certains musées sont même prêts à financer de tels projets. Il faut pour cela se doter des moyens suffisant pour réaliser des maquettes de bonne qualité. Notre groupe possède déjà une certaine expertise dans le domaine. C’est malheureusement une activité qui demande beaucoup de temps.