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Sensibilisation à l'environnement : les défis de l'infrastructure de calcul du CERN

La stratégie du CERN pour atténuer l’impact environnemental de la consommation d’énergie résultant du traitement des données

Computer Centre 2017
Le centre de calcul du CERN (Image: CERN)

Chaque année, les expériences LHC produisent quelque 90 pétaoctets de données, auxquelles viennent s’ajouter 25 pétaoctets supplémentaires produits par des expériences hors LHC. La nécessité de traiter et de stocker ces volumes énormes fait du CERN un lieu de recherche à l’environnement informatique particulièrement exigeant ; la puissante infrastructure informatique de l'Organisation peut de ce fait être employée pour appuyer des activités dans de nombreuses autres disciplines.

L'utilisation des technologies numériques et des infrastructures informatiques a plusieurs impacts environnementaux, liés principalement à la durée de vie des équipements et infrastructures informatiques et à la consommation d'énergie nécessitée par le traitement et le stockage des données.

En général, la durée de vie d'un serveur informatique au CERN est de quatre ans. Cependant, ces cycles de vie évoluent en permanence : il y a seulement dix ans, le matériel du centre de calcul avait une durée de vie beaucoup plus courte. Depuis 2012, le CERN fait régulièrement don de matériel informatique ne correspondant plus à ses normes d'efficacité très spécifiques, mais qui reste largement suffisant pour des environnements moins exigeants.

La consommation d'énergie liée au traitement des données représente environ 75 % de l'énergie utilisée pour les activités du centre de données du CERN ; le reste est consommé pour le stockage des données. Le département informatique de l'Organisation (IT) exploite le centre de calcul du CERN sur le site de Meyrin, ainsi qu'un deuxième hub réseau à Prévessin et deux centres de données modulaires provisoires. En 2021, le principal centre de calcul du CERN a eu besoin en moyenne de 4,14 MW (quantité d’énergie consommée) pour ses systèmes informatiques, pour une consommation d’énergie totale d’environ 37 GWh sur l’année. Ce chiffre tient compte du refroidissement nécessaire pour faire fonctionner le centre de calcul. Cela correspond à environ 4 % de la consommation totale d’énergie du CERN en 2021 (954 GWh).

Le Centre de calcul actuel du CERN a été construit en 1972 et a abrité une grande variété d'équipements au fil des ans : ordinateurs centraux, supercalculateurs, informatique-commodité ou informatique en rack. L’état de l’équipement informatique est surveillé en permanence par des équipes d'experts, qui planifient soigneusement l’optimisation des calendriers de maintenance et mises à niveau, en s’appuyant sur des calculs détaillés liés aux performances, au coût et à l'efficacité énergétique. Une planification similaire est effectuée pour le stockage des données ; l'un des principaux avantages des supports à bandes utilisés dans le centre informatique pour le stockage à long terme est qu'ils ne consomment pas d'énergie lorsqu'ils ne sont pas utilisés en écriture ou en lecture.

Un nouveau centre de calcul sera bientôt construit sur le site de Prévessin ; il devrait être mis en service au second semestre 2023. L'efficacité énergétique est au cœur de ce projet, qui prévoit un système de récupération de chaleur pouvant être utilisé pour chauffer les bâtiments sur le site. La capacité informatique initiale disponible sera de 4 MW, avec des mises à niveau possibles prévues à un stade ultérieur. L’objectif visé par le CERN pour ce nouveau centre de données est celui d’un indicateur d’efficacité énergétique (PUE) supérieur à 1,1. Pour replacer ce chiffre dans son contexte, le PUE moyen des grands centres de données est d'environ 1,5, les centres de données récents atteignant généralement un PUE compris entre 1,2 et 1,4. 

Aujourd'hui, la Grille mondiale de calcul pour le LHC (WLCG) se compose de 170 centres informatiques répartis dans 42 pays. La WLCG, organisée autour du Centre de calcul du CERN, fournit désormais 1 million de cœurs de processeur et 1 exaoctet de stockage. Les équipes du CERN et des expériences s’emploient à moderniser les codes, en trouvant des moyens de le faire fonctionner plus efficacement sur le matériel le plus récent, ce qui permet d'économiser des ressources et de l'énergie. Étant donné la dimension de ce réseau mondial, les moindres gains d'efficacité dans un code très utilisé peuvent avoir un grand impact.

D'ici au démarrage du LHC à haute luminosité, fin 2028, la capacité de calcul totale requise par les expériences devrait être dix fois supérieure à celle d'aujourd'hui. L'une des priorités est d'établir de nouvelles approches innovantes pour les tâches informatiques clés, en s’appuyant sur l'apprentissage automatique et d'autres technologies connexes, afin de contribuer à réduire la quantité globale de ressources informatiques nécessaires et de jouer ainsi un rôle essentiel dans la réduction de la consommation d'énergie.

En 2017, la communauté de la physique des hautes énergies a produit une feuille de route pour la R&D en matière de logiciels et de calcul pour la physique des hautes énergies pour les années 2020, où sont examinés les futurs défis. Il y est question d’améliorations de l'efficacité, de l'évolutivité et des performances des logiciels, ainsi que de nouvelles approches, telles que la modernisation du code, lequel pourra s'exécuter plus efficacement sur le matériel le plus récent, générant d'importantes économies d'énergie. Sur la base de cette feuille de route, le WLCG et les expériences LHC ont élaboré une stratégie informatique pour le HL-LHC, dont la mise en œuvre est régulièrement examinée par le comité scientifique du LHC (LHCC).

En janvier 2022, le département informatique du CERN a lancé une étude d'impact sur la consommation d'énergie pour le stockage et le traitement des données. L'objectif est d'obtenir des estimations plus complètes et plus précises pour les différentes utilisations et installations, afin d'aider le département à créer une infrastructure informatique plus économe en énergie. Les résultats de l'étude sont attendus dans le courant de l'année.