Simulations Numériques en astrophysique
Simulation numérique en astrophysique spécialisé dans l’activité de « calcul de haute performance ».
Astrophysics digital simulation for « high performance computing ».
La modélisation s’est installée au SAp en 1982 et a immédiatement bénéficié des capacités informatiques du CEA. Le SAp s’est imposé dans la communauté internationale en précisant et validant les processus physiques de l’évolution stellaire classique. Puis une nouvelle étape a été franchie en 1996 avec l’arrivée des simulations hydrodynamiques multidimensionnelles consacrées à la cosmologie et au milieu interstellaire. Aujourd’hui de nouveaux challenges liés à la simulation 3D de nombreux processus astrophysiques conduisent à reconsidérer l’organisation de notre service en simulations numériques astrophysiques
Thèmes et programmes de l'IRFU
Simulations numériques en astrophysique, calcul intensif et visualisation
Objectif
Le terme de « simulation numérique » est en général utilisé pour désigner plusieurs activités en pratiques très différentes. Le programme « Simulations Numériques » que nous défendons n’a pas la prétention de recouvrir l’ensemble de ces activités, mais uniquement celles qui définissent aujourd'huii ce que l'on appelle « le calcul haute performance » et qui s’appuient sur les quatre étapes suivantes:
1.Développement de nouveaux algorithmes : cette activité est essentielle à toute activité de simulation qui vise à se développer. Il s’agit d’être à l’écoute des progrès réalisés en mathématiques appliquées, à mettre en pratique ces progrès dans le cadre astrophysique qui nous caractérise, ou à inventer de nouvelles approches spécifiques à nos problèmes (gravité, transfert). Les codes 1D sont des outils indispensables à cette étape du travail.
2.Calcul parallèle sur machine centralisée : nous avons accès aux moyens de calcul civils du TGCC à Bruyères-le-Châtel et National GENCI. Le pilotage de ce type d’ordinateurs est complexe, et s’apparente à l’utilisation d’un grand équipement (télescope ou accélérateur). A cette expertise indispensable s’ajoute la nécessité de développer des codes parallèles en utilisant les librairies OpenMP ou MPI.
3.Traitement des données : les codes de simulations numériques actuels peuvent générer plusieurs Téraoctets (To) de données en quelques semaines. Ces données sont en général archivées sur place (centre de calcul). Le post-traitement de ces données brutes est une phase cruciale, puisqu’elle conduit aux résultats scientifiquement exploitables. Or, il est impossible de traiter ces données intégralement sur le centre de calculs : temps d’attente trop long, développement parallèle trop complexe, saturation de la machine avec une myriade de petits jobs. Il faut donc rapatrier une partie de ces données en local (à l'IRFU), afin de les exploiter de façon plus flexible. Il faut pour cela une machine locale de taille suffisante.
4.Visualisation des données : C’est la dernière étape de notre activité de simulation numérique. La visualisation des données tridimensionnelles s’effectue exclusivement sur des machines locales, au IRFU, et de taille suffisante pour des objets graphiques 3D. Le SAp a pour tradition d’utiliser le logiciel IDL pour le traitement d’image : c’est aussi notre cas pour les simulations. Le logiciel SDvision développé à l'IRFU depuis 2006 permet de traiter nos problèmes spécifiques, à savoir la taille des données que nous manipulons et la structure complexe des objets (grilles adaptatives 3D, harmoniques sphériques…).
Le programme COAST de Simulations Numériques en Astrophysique a démarré en 2005 avec la création d'une équipe mixte SAp/SEDI; il comprend maintenant 7 physiciens permanents du SAp et 4 ingénieurs en développement logiciel du laboratoire LILAS du SEDI. Le projet ambitionne de développer les codes de simulation numérique du SAp (méthodes numériques,optimisation,parallélisation), de créer des outils de post-traitement capables d'interpréter et visualiser les résultats des différents codes, de créer des bases de données distribuées des résultats et de gérer les versions des sources d'une façon homogène. L'expertise dans les différents domaines de physique (cosmologie,milieu interstellaire,disques protoplanétaires,physique stellaire et physique des plasmas denses et chauds créés pas laser) ainsi que les compétences acquises en analyse numérique et en développement logiciel ont permis aux membres de COAST d'être partie prenante, souvent en tant que leaders, de collaborations extérieures: projets ANR, projets ERC (Petadisk, STARS2, Magmist, Galsico). L'équipe COAST encadre aussi des stagiaires en informatique et des thésards ou post-docs en astrophysique. La valorisation du projet COAST passe aussi par une participation active à des conférences internationales orientées astrophysique, simulation ou génie logiciel, ainsi que par le développement d'un site Web dédié.
Le premier objectif est évidemment de rendre le travail quotidien plus facile à chacun des membres du programme. L’achat d’une machine de calcul locale est une condition impérative. Il existe aussi une grande synergie entre nos activités : parallélisation des codes, développement d’algorithmes, visualisation. La mise en commun de notre savoir-faire au sein d’une structure vivante et visible va améliorer considérablement notre efficacité. Il existe aussi plusieurs projets de développement de codes en gestation : parallélisation MPI dans FARGO, géométrie sphérique dans RAMSES, couplage HR avec RAMSES, optimisation du code ASH qui permettent un développement fort des thèmes scientifiques sous-jacents.
Nous souhaitons aussi formuler des objectifs exigeants et tangibles dans le cadre de notre programme :
1.Mise à disposition des codes internes au SAp et de leur documentation à toute personne du SAp sur un répertoire SVN.
2.Mise à disposition des résultats de simulations à toute personne du SAp qui le souhaite sur une base de données interne.
3.Mise à disposition des images et des films sur un site Web (interne et externe) à des fins de communications.
4.Proposer un enseignement de qualité dans le domaine des simulations et assurer la formation en interne pour l’utilisation des codes et des concepts.
Nous souhaitons que le comité des chefs de laboratoires se réunisse une fois par an avec le chef de service pour évaluer les résultats obtenus pour chacun de ces objectifs, donner des orientations stratégiques aux membres du programme, et éventuellement étudier les manques.
Localisation
Service d'Astrophysique
Batiment 709
Orme des Merisiers
Centre CEA de Saclay
Collaboration
Institut d'Astrophysique de Paris
Observatoire de Paris-Meudon
Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
Centre de Recherche Astronomique de Lyon
Mathématiques Appliquées Bordeaux I
Centre pour l'Etude des Laseres Intenses et Applications (Bordeaux I)
Institut Laser Plasma
Laboratory of Computational Dynamics (University of Colorado, Boulder)
Universidad Autonoma Nacional de Mexico (Mexico)