JUPITER, le premier superordinateur exascale d’Europe, installé au Forschungszentrum Jülich en Allemagne, fonctionne avec des superpuces NVIDIA Grace Hopper et une mise en réseau NVIDIA Quantum-X800 InfiniBand — et il a connu une année bien remplie.
Alors que la communauté internationale du supercalcul se réunit cette semaine à l’ISC à Hambourg, quatre projets exécutés sur JUPITER illustrent ce que l’informatique exascale peut réellement accomplir : cartographier le cerveau humain à l’échelle cellulaire, simuler l’intégralité du climat terrestre à une résolution de 1 kilomètre, concevoir des systèmes d’IA pour la prochaine génération de réseaux sans fil et simuler un ordinateur quantique universel de 50 qubits.
« Avec JUPITER, l’Europe ne fait pas que rejoindre l’ère exascale — elle la mène, sur le plus large éventail de science et d’IA de tous les systèmes au monde », a déclaré Thomas Lippert, directeur du Jülich Supercomputing Centre et professeur à l’Université Goethe de Francfort.
Les quatre projets décrits ci-dessous partagent un fil conducteur : des problèmes scientifiques hors de portée sur le matériel précédent sont désormais traitables à l’échelle exascale.
Un modèle de fondation pour cartographier le cerveau
Le projet Jülich Brain Atlas — ancré à l’Institut de neurosciences et de médecine de Jülich, avec le partenaire Helmholtz AI, un hôpital partenaire et d’autres institutions Helmholtz — a produit CytoNet, un modèle de fondation pour l’analyse de la micro-architecture du cerveau.
La complexité du cerveau humain est stupéfiante. Avec 86 milliards de neurones et environ 100 000 milliards de connexions entre eux, comprendre le fonctionnement du cerveau à la résolution du neurone unique était hors de portée, jusqu’à présent.
Les travaux sont dirigés par la neuroscientifique Katrin Amunts et l’informaticien Christian Schiffer à l’INM-1, l’Institut de neurosciences et de médecine de Jülich. Le modèle apprend à partir de données d’imagerie cérébrale à l’échelle cellulaire, construisant une carte qui relie les structures cellulaires individuelles à des schémas plus larges d’organisation et de fonction du cerveau.
L’entraînement s’est déroulé sur JUPITER en moins de cinq jours, à partir de 6,5 pétaoctets de données issues de 21 cerveaux post-mortem, sur 4 096 superpuces NVIDIA Grace Hopper. Un article décrivant ces travaux est disponible sur arXiv.
« Pour la première fois, nous n’utilisons pas seulement l’IA pour analyser le cerveau — nous construisons un agent capable de réfléchir lui-même à l’expérience », a déclaré Katrin Amunts, directrice de l’INM-1 au Forschungszentrum Jülich et professeure de recherche sur le cerveau à l’Université Heinrich Heine de Düsseldorf. « Cela change ce que seront les neurosciences, et JUPITER est ce qui rend cette phrase possible aujourd’hui. »
Cet agent constitue la prochaine étape de l’équipe : construire un agent d’IA pour les chercheurs en neurosciences — intégrant le raisonnement multimodal, les interfaces en langage naturel et des capacités de questions-réponses à l’aide de modèles ouverts, dont NVIDIA Nemotron 3 120B, en vue d’assistants d’IA capables d’aider les scientifiques à interroger directement les données cérébrales.
Le climat à la résolution kilométrique
Une configuration ICON inédite — développée par des chercheurs de l’ETH Zurich, du Centre allemand de calcul climatique (DKRZ), du Jülich Supercomputing Centre (JSC), de l’Institut Max Planck de météorologie, de NVIDIA, du Centre suisse de calcul scientifique (CSCS) et de l’Université de Hambourg — a remporté le prix Gordon Bell de modélisation climatique lors de la SC25 en novembre dernier.
La percée ne tient pas à la seule résolution. ICON est le premier modèle à simuler un système terrestre couplé à une résolution de 1 kilomètre, avec l’océan, l’atmosphère et les terres, la biogéochimie et l’intégralité du cycle du carbone, le carbone étant échangé entre tous les composants. Il peut simuler et visualiser des écosystèmes complets, tels que les efflorescences de phytoplancton et le broutage par le zooplancton. Les systèmes précédents pouvaient modéliser des fragments de cet ensemble ; ICON l’exécute en totalité. Cela permet une simulation bien plus précise et complète de la Terre — observable à ce niveau de détail pour la première fois.
Exécuté sur 20 480 superpuces NVIDIA Grace Hopper sur JUPITER, le modèle a simulé environ 146 jours de climat réel en 24 heures de calcul, établissant un record du monde de simulation climatique mondiale. L’implication de NVIDIA dans la communauté ICON s’étend sur plus d’une décennie.
« Nos simulations résolvent les vents à fine échelle, les tourbillons océaniques et le mélange des couches supérieures de l’océan qui façonnent les écosystèmes marins et régulent l’absorption de carbone par l’océan », a déclaré Daniel Klocke, responsable du groupe infrastructure de calcul et développement de modèles à l’Institut Max Planck de météorologie. « À une résolution mondiale de seulement 1 kilomètre, bon nombre de ces interactions émergent directement des lois de la physique plutôt que d’être approximées. Cela nous offre une vision sans précédent de la manière dont l’atmosphère, l’océan et la biosphère fonctionnent ensemble, et nous aide à comprendre les processus qui régissent l’évolution de notre climat. »
La 6G se dote d’un partenaire exascale
En mars, Ericsson et le Forschungszentrum Jülich ont annoncé une collaboration visant à développer l’IA pour l’évolution continue de la 5G et pour les réseaux 6G — avec JUPITER comme moteur de calcul pour l’entraînement et les tests de modèles d’IA à grande échelle.
La collaboration vise des architectures inspirées du cerveau, conçues pour gérer des opérations réseau complexes à un coût énergétique bien moindre.
Les priorités de recherche comprennent des modèles d’IA pour les réseaux radio et cœur d’Ericsson, l’inférence d’IA écoénergétique en périphérie radio à l’aide d’approches neuromorphiques, et des concepts d’architecture de supercalcul modulaire issus des travaux exascale du JSC.
Battre des records quantiques
Des chercheurs du Jülich Supercomputing Centre (JSC), en collaboration avec le NVIDIA Application Lab exploité conjointement, ont également réalisé une première mondiale en simulant intégralement un ordinateur quantique universel de 50 qubits, dépassant le précédent record de 48 qubits.
Cette simulation a été rendue possible en s’appuyant sur l’architecture mémoire CPU-GPU cohérente et étroitement couplée des superpuces NVIDIA GH200 Grace Hopper de JUPITER, qui permet aux données dépassant les limites du GPU de déborder de façon transparente dans la mémoire du CPU avec une perte de performance minimale — permettant à JUPITER de maintenir un état quantique bien plus vaste que la seule mémoire GPU, ce qui a poussé la simulation au-delà du précédent record de 48 qubits.
Pour l’heure, ce type de simulation est l’outil le plus puissant dont dispose la recherche quantique : le matériel quantique actuel ne peut pas encore surpasser les ordinateurs classiques sur des problèmes utiles ; simuler des machines quantiques à la plus grande échelle possible est donc la manière dont les chercheurs conçoivent et mettent à l’épreuve les algorithmes que le matériel futur exécutera.
Ce puissant simulateur quantique, JUQCS-50, sera accessible pour explorer les performances des conceptions d’algorithmes quantiques au sein de JUNIQ, l’installation pour utilisateurs d’ordinateurs quantiques du JSC, dirigée par Kristel Michielsen, directrice du JSC et professeure à l’Université de Cologne. JUQCS-50 transforme le premier système exascale d’Europe en un puissant banc d’essai pour les superordinateurs quantique-GPU de demain.
L’impact de l’exascale
L’éventail des travaux scientifiques menés sur JUPITER — des neurones à l’atmosphère, de l’infrastructure sans fil au quantique — démontre que l’informatique exascale est passée du statut de catégorie de recherche à celui de production.
Ces résultats constituent une preuve de concept pour la plateforme Grace Hopper, à la frontière de la science.
Pour en savoir plus sur l’IA NVIDIA pour la science.