Conférence NAFEMS DACH 2026 | Open iT : gestion du parc logiciel | Suivi des licences logicielles

Titre

Optimisation de l'utilisation des ressources HPC : les enseignements tirés de la CFD réglementée dans le sport automobile de haut niveau

Intervenants

Open iT
Heinrich Bartels

Résumé

L'ingénierie de pointe dans le domaine des sports automobiles à roues découvertes évolue dans un environnement où les performances se jouent sur des marges extrêmement faibles, et où l'efficacité aérodynamique est le facteur déterminant qui influence l'issue des courses. L'aérodynamique influe directement sur la stabilité au freinage et les performances en virage, l'adhérence aérodynamique étant quatre à cinq fois supérieure à l'adhérence mécanique. Dans un système aussi étroitement imbriqué, même de petites inefficacités peuvent entraîner une perte de places, tandis que des améliorations aérodynamiques relativement mineures peuvent permettre de gagner entre 0,1 et 0,3 seconde par tour. Ces conditions font passer la dynamique des fluides computationnelle (CFD) du statut d’outil d’appoint à celui de moteur central de la performance en compétition, ce qui confère à l’efficacité de chaque simulation une importance cruciale.

La CFD en tant que ressource limitée

Ce qui distingue cet environnement, ce n’est pas simplement le recours à la CFD, mais la manière dont son utilisation est encadrée. En Formule 1, l’activité CFD est régie par des limites réglementaires explicites qui définissent le volume de calculs que chaque écurie est autorisée à effectuer. Ces limites sont ajustées de manière dynamique en fonction du classement, les écuries les moins bien classées pouvant bénéficier d’une allocation allant jusqu’à 115 % d’une base de référence, tandis que le champion des constructeurs peut se voir limité à seulement 70 %. Cette structure introduit un mécanisme délibéré d’équilibrage de la concurrence, dans lequel le succès réduit la capacité de calcul future, obligeant les équipes les plus performantes à opérer avec davantage de sélectivité et d’efficacité.

Dans ce cadre, la CFD devient une ressource finie et mesurable. Sa consommation est quantifiée à l’aide d’un indicateur standardisé : AUh = (NCU × NSS × CCF) / 3 600, où NCU représente le nombre de processeurs, NSS la durée d’exécution en secondes et CCF la fréquence d’horloge du processeur. Chaque simulation consomme une partie définie d’une allocation fixe qui ne peut être dépassée, et toute capacité inutilisée est perdue. Cela crée une limite stricte dans laquelle tout le développement aérodynamique doit s’inscrire, déplaçant ainsi l’accent mis sur le nombre total de simulations réalisées vers la maximisation du nombre de simulations utiles qui contribuent à l’amélioration des performances.

Des contraintes de la CFD à l'optimisation par calcul haute performance (HPC)

Ces contraintes modifient fondamentalement le rôle du calcul haute performance (HPC). Dans la plupart des environnements d’ingénierie, les systèmes HPC sont considérés comme une infrastructure évolutive, où l’augmentation des besoins de calcul peut être satisfaite par l’ajout de matériel supplémentaire. En Formule 1, cependant, le débit de la CFD est limité par la réglementation plutôt que par la disponibilité du matériel. Par conséquent, l’augmentation de la capacité de calcul n’entraîne pas une augmentation du nombre de simulations autorisées. L’accent est donc mis sur l’exploitation optimale d’un budget de calcul fixe.

Cette évolution place l'optimisation du calcul haute performance (HPC) au cœur des performances techniques. L'objectif n'est pas d'augmenter la consommation totale de puissance de calcul, mais d'améliorer l'efficacité avec laquelle les ressources existantes sont utilisées, afin de pouvoir réaliser des simulations plus pertinentes dans le cadre d'une même allocation. Chaque source d'inefficacité au sein du système HPC réduit directement le nombre de simulations CFD pouvant être effectuées, ce qui fait des performances du système et de l'utilisation des ressources des facteurs déterminants pour la réussite concurrentielle.

Comprendre les contraintes et les déséquilibres en matière de ressources

Les systèmes HPC constituent des environnements complexes dans lesquels les performances dépendent de multiples ressources en interaction, notamment la capacité de calcul, la taille de la mémoire, les E/S de stockage, la bande passante réseau, la communication interprocessus, la configuration du planificateur et la disponibilité des licences logicielles. Dans la pratique, ces ressources sont rarement équilibrées. Il arrive fréquemment qu’une ressource soit saturée tandis que d’autres restent sous-utilisées, ce qui crée des goulots d’étranglement qui limitent le débit global du système.

Par exemple, des simulations qui semblent très gourmandes en calcul peuvent en réalité être limitées par la bande passante mémoire ou la latence, empêchant ainsi les processeurs de fonctionner à leur plein rendement. Les charges de travail distribuées peuvent être confrontées à des conflits d’interconnexion ou de réseau, ce qui réduit l’évolutivité entre les nœuds. Les systèmes de stockage peuvent limiter les performances en raison de modèles d’accès aux données inefficaces, tandis que la consommation d’énergie et les contraintes thermiques peuvent entraîner un ralentissement qui réduit la vitesse de traitement effective. De plus, les charges de travail parallèles sont intrinsèquement limitées par des composants non parallélisables, ce qui signifie que l'augmentation du nombre de processeurs ne se traduit pas toujours par des gains de performances proportionnels.

Ces déséquilibres mettent en évidence un enjeu majeur : l'efficacité globale du calcul haute performance (HPC) n'est pas déterminée par la quantité totale de ressources disponibles, mais par la manière dont ces ressources sont coordonnées et exploitées. Lorsqu'une contrainte prend le dessus, le reste du système ne peut pas être pleinement mis à profit, ce qui se traduit par une baisse du débit et une augmentation du coût de calcul par simulation.

Utiliser les indicateurs pour identifier les sources d'inefficacité

Pour relever ces défis, il est nécessaire de disposer d’une visibilité détaillée sur le comportement du système. Les environnements HPC modernes génèrent de nombreuses mesures qui fournissent des informations à la fois sur les performances du système et sur l’utilisation des simulations. Les compteurs de performances matériels révèlent des inefficacités de bas niveau telles que les échecs de cache et les blocages de mémoire, tandis que les mesures au niveau des nœuds permettent de suivre la consommation d’énergie, la température et les effets potentiels de limitation thermique. Les outils de profilage à l’échelle du système mettent en outre en évidence les schémas de contention et de déséquilibre entre les sous-systèmes de calcul, de mémoire, de réseau et de stockage.

Associées à des données d’utilisation telles que les schémas de planification des tâches, la concurrence des licences et la demande en fonction du temps, ces mesures offrent une vue d’ensemble complète de la manière dont les ressources sont consommées. Elles permettent d’identifier les capacités de calcul inutilisées, les goulots d’étranglement aux heures de pointe et les charges de travail mal réparties qui pourraient passer inaperçues avec des approches de surveillance conventionnelles. Dans de nombreux cas, les inefficacités ne sont pas évidentes car elles sont réparties sur plusieurs composants du système, ce qui rend l’analyse basée sur les données essentielle pour mettre au jour les pertes de performances.

Mesures d'optimisation et améliorations au niveau du système

Une fois les inefficacités identifiées, des stratégies d’optimisation ciblées peuvent être mises en œuvre pour améliorer les performances globales du système. Ces mesures peuvent notamment consister à affiner l’allocation des ressources CPU afin d’accroître l’efficacité des cœurs, à améliorer les systèmes de refroidissement pour éliminer les limitations thermiques, et à résoudre les goulots d’étranglement au niveau des E/S grâce à une organisation optimisée des données et à des modèles d’accès adaptés. Des ajustements apportés aux planificateurs de tâches permettent de mieux aligner les charges de travail sur les ressources disponibles, tandis qu’une meilleure gestion des licences garantit que les contraintes logicielles ne limitent pas inutilement le débit.

Dans certaines situations, l’analyse peut révéler qu’une capacité HPC supplémentaire est nécessaire. Toutefois, cette décision doit reposer sur une compréhension claire de la ressource qui limite les performances. L’ajout de nœuds de calcul à un système limité par la bande passante mémoire, les E/S de stockage ou les performances réseau n’améliorera pas le débit et risque d’augmenter les coûts d’exploitation sans apporter d’avantages significatifs. À l’inverse, lorsque les ressources sont bien équilibrées et pleinement exploitées, l’augmentation de la capacité peut apporter des améliorations mesurables en termes de performances et de productivité.

HPC commercial : optimisation des performances et des coûts

Si la Formule 1 constitue un exemple soumis à des contraintes particulières, les principes sous-jacents s'appliquent directement aux environnements HPC commerciaux. Dans ces contextes, la principale contrainte n'est pas d'ordre réglementaire, mais financière. Les systèmes HPC représentent des investissements importants, tant en capital qu'en coûts d'exploitation, notamment en matière d'acquisition de matériel, de consommation d'énergie, de maintenance et de licences logicielles. Par conséquent, l'objectif d'optimisation ne se limite pas à la seule performance.

Les entreprises doivent concilier deux objectifs : réaliser les simulations requises le plus rapidement possible et réduire le coût des ressources HPC nécessaires pour obtenir ces résultats. Pour un nombre donné de simulations, l’amélioration de l’efficacité du système peut permettre de réduire le temps de calcul, de diminuer la consommation d’énergie et de baisser les coûts de licence. Dans de nombreux cas, un meilleur équilibrage des ressources permet d’exécuter la même charge de travail avec moins de ressources de calcul, ce qui réduit directement les dépenses globales.

Cela met en évidence un parallèle important avec la Formule 1. Dans un environnement réglementé, l'inefficacité réduit le nombre de simulations pouvant être réalisées dans le cadre d'un budget fixe. Dans un environnement commercial, l'inefficacité augmente le coût nécessaire pour réaliser un nombre donné de simulations. Bien que les contraintes diffèrent, le défi sous-jacent reste le même : veiller à ce que les ressources de calcul haute performance (HPC) soient utilisées aussi efficacement que possible.

Une approche fondée sur les données pour l'optimisation des ressources

La solution commune à ces deux domaines réside dans une approche rigoureuse et fondée sur les données en matière de gestion des ressources. Les systèmes HPC doivent faire l'objet de mesures et d'analyses continues afin de comprendre comment les ressources sont utilisées et où se situent les limites. Il convient d'identifier et de résoudre les goulots d'étranglement, d'aligner les charges de travail sur les capacités du système, et de fonder les décisions relatives à l'extension de la capacité sur des données concrètes plutôt que sur des hypothèses.

En mettant en place des boucles de rétroaction entre les mesures du système et les décisions opérationnelles, les organisations peuvent améliorer progressivement leurs performances et leur efficacité au fil du temps. Cette approche permet une utilisation plus efficace de l'infrastructure existante, réduit les coûts superflus et garantit que tout investissement supplémentaire dans les ressources HPC apporte une valeur ajoutée significative.

Conclusion

L'expérience acquise dans le domaine de l'ingénierie de haut niveau en sport automobile montre que, lorsque les ressources de calcul sont considérées comme limitées et mesurables, l'optimisation devient à la fois nécessaire et réalisable. En s'attachant à améliorer l'utilisation des ressources plutôt qu'à simplement augmenter la capacité, les organisations peuvent accroître le débit de simulation, réduire le coût par solution et tirer davantage parti de leurs investissements dans le calcul haute performance (HPC). Les mêmes principes qui permettent d'obtenir un avantage concurrentiel dans un environnement de course soumis à des contraintes peuvent être largement appliqués pour offrir des simulations plus efficaces et plus rentables dans un large éventail de secteurs d'activité.