La construction de la Matrice a commencé en Suisse. Le projet est conçu pour une durée de 10 ans.

 La construction de la Matrice a commencé en Suisse. Le projet est conçu pour une durée de 10 ans.

phys.org : Le jumeau numérique de notre planète est destiné à simuler en détail l'ensemble du système terrestre dans le futur. Il est conçu pour informer les responsables politiques et les décideurs. Un nouveau document stratégique rédigé par des scientifiques et des informaticiens européens de l'ETH Zurich montre comment y parvenir.

Pour devenir neutre sur le plan climatique d'ici 2050, l'Union européenne a lancé deux programmes ambitieux : Green Deal et DigitalStrategy. Les climatologues et les spécialistes de l'information ont lancé l'initiative "Destination Terre", qui débutera au milieu de l'année 2021 et devrait durer jusqu'à dix ans, comme élément clé de leur mise en œuvre réussie. Pendant cette période, un modèle numérique de la Terre très précis, un jumeau numérique de la Terre, devrait être créé pour représenter aussi précisément que possible l'évolution du climat et des événements extrêmes dans l'espace et le temps.

Les données d'observation seront continuellement introduites dans le jumeau numérique pour rendre le modèle numérique de la Terre plus précis pour suivre l'évolution et prévoir les trajectoires futures possibles. Mais en plus des données d'observation généralement utilisées pour modéliser le temps et le climat, les chercheurs veulent également intégrer dans le modèle de nouvelles données sur les activités humaines pertinentes. Le nouveau modèle du système terrestre représentera de manière aussi réaliste que possible pratiquement tous les processus à la surface de la Terre, y compris l'influence humaine sur la gestion de l'eau, de la nourriture et de l'énergie, ainsi que les processus du système physique terrestre.

Une Terre jumelle numérique se veut un système d'information qui élabore et teste des scénarios démontrant un développement plus durable et donc qui informe mieux les décideurs politiques. "Par exemple, si vous envisagez de construire un barrage de deux mètres de haut aux Pays-Bas, je peux consulter les données de mon jumeau numérique et vérifier si le barrage protégera encore contre les événements extrêmes attendus en 2050", explique Peter Bauer, directeur adjoint de la recherche au Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT) et co-initiateur de Destination Terre. Le jumeau numérique sera également utilisé pour la planification stratégique de l'approvisionnement en eau douce, de l'alimentation, des parcs éoliens et des fermes solaires.

Les forces motrices de Destination Terre sont le CEPMMT (Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme), l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Organisation européenne pour l'exploitation de satellites météorologiques (EUMETSAT). Avec d'autres scientifiques, Bauer travaille sur les aspects climatiques et météorologiques d'une Terre jumelle numérique, mais ils s'appuient également sur le savoir-faire des informaticiens de l'ETH Zurich et du Centre suisse de calcul scientifique (CSCS), à savoir le professeur de l'ETH Torsten Hefler de l'Institut de calcul de haute performance et Thomas Schulthess, directeur du CSCS.

Pour faire ce grand pas dans la révolution numérique, M. Bauer souligne que les sciences de la Terre doivent être liées à l'informatique. Dans une récente publication dans Nature Computational Science, un groupe de chercheurs en sciences de la terre et en informatique discutent des mesures spécifiques qu'ils aimeraient utiliser pour faire avancer cette "révolution des sciences du système terrestre numérique", où ils voient les problèmes et les solutions possibles.

Dans leur document d'orientation, les chercheurs se penchent sur l'évolution constante des régimes climatiques depuis les années 1940. Les météorologues ont été les premiers à modéliser, pour ainsi dire, les processus physiques sur les plus grands ordinateurs du monde. Ainsi, en tant que physicienne et informaticienne, Schulthess du CSCS est convaincue que les modèles météorologiques et climatiques actuels sont idéaux pour identifier des moyens entièrement nouveaux d'utiliser efficacement les superordinateurs pour de nombreuses autres disciplines scientifiques.

Dans le passé, la modélisation du temps et du climat a adopté différentes approches pour modéliser le système terrestre. Bien que les modèles climatiques représentent un ensemble très large de processus physiques, ils ne tiennent généralement pas compte des processus à petite échelle qui sont cependant nécessaires pour des prévisions météorologiques plus précises, qui à leur tour se concentrent sur un nombre plus restreint de processus. Une Terre jumelle numérique combinera les deux domaines et permettra des simulations à haute résolution de processus complexes dans l'ensemble du système terrestre. Mais pour ce faire, les codes des logiciels de simulation doivent être adaptés aux nouvelles technologies qui promettent une puissance de calcul nettement supérieure.

Avec les ordinateurs et les algorithmes disponibles aujourd'hui, il est peu probable que des simulations très complexes soient réalisées à la résolution extrêmement élevée d'un kilomètre prévue, car le développement de codes en termes d'informatique est bloqué depuis des décennies. La recherche sur le climat a bénéficié de la possibilité d'améliorer les performances grâce à l'utilisation de processeurs de nouvelle génération sans avoir à modifier fondamentalement leur programme. Cette augmentation gratuite des performances à chaque nouvelle génération de processeurs s'est arrêtée il y a environ 10 ans. Par conséquent, les programmes modernes ne peuvent souvent utiliser que 5 % des performances maximales des processeurs conventionnels.

Pour réaliser une percée informatique, les auteurs soulignent la nécessité de la co-conception, c'est-à-dire le développement collaboratif et simultané de matériel et d'algorithmes, que le CSCS a démontré avec succès depuis une décennie. Ils proposent d'accorder une attention particulière aux structures de données communes et à la discrétisation spatiale optimisée du réseau de calcul. Les scientifiques proposent également de séparer les codes destinés à résoudre un problème scientifique des codes qui effectuent des calculs de manière optimale dans une architecture de système appropriée. Cette structure de programme plus souple permettra un passage plus rapide et plus efficace aux architectures futures.

Les auteurs voient également un grand potentiel dans l'intelligence artificielle. Il peut être utilisé, par exemple, pour l'assimilation de données ou le traitement de données d'observation, la représentation de processus physiques incertains dans des modèles de compression de données. De cette façon, l'IA peut accélérer la modélisation et filtrer les informations les plus importantes de grandes quantités de données. En outre, les chercheurs suggèrent que l'utilisation de l'apprentissage machine non seulement rend les calculs plus efficaces, mais peut également aider à décrire les processus physiques avec plus de précision.

Les scientifiques considèrent leur document stratégique comme un point de départ sur la voie de la création d'un jumeau numérique de la Terre. Parmi les architectures informatiques disponibles aujourd'hui et prévues dans un avenir proche, les superordinateurs basés sur des unités de traitement graphique (GPU) semblent être l'option la plus prometteuse. Les chercheurs estiment qu'un jumeau numérique à grande échelle nécessiterait un système d'environ 20 000 GPU, consommant environ 20 MW de puissance. Pour des raisons à la fois économiques et environnementales, un tel ordinateur doit être exploité dans un lieu où la production d'électricité neutre en CO2 est disponible en quantité suffisante.

Comme on peut le comprendre à partir de ces données officielles plutôt parcimonieuses, les adeptes officiels d'aujourd'hui, à l'aide de 20 000 adaptateurs graphiques officiels modernes (c'est-à-dire pas le superordinateur le plus sophistiqué) peuvent simuler la Terre à une résolution de 1 kilomètre carré par pixel. Et cela en utilisant le logiciel existant, dont on dit qu'il est efficace à 5 %. Si, en utilisant le même ordinateur avec 20 000 processeurs, vous améliorez le logiciel, la résolution peut être multipliée par 20. Et si l'ordinateur est plus avancé, la résolution peut être amenée aux limites de la vision humaine, qui ne sont pas très grandes. Il ne reste plus qu'à peupler ce monde d'humains numériques, alors restez à l'écoute. 

P.S. Tout ce qui précède est un scénario plutôt pessimiste d'un brillant avenir numérique, comme nous l'avons souligné à plusieurs reprises en utilisant le mot "officiel". Autrement dit, il y a des ordinateurs officiels sur lesquels travaillent les professeurs Peter et Tom, et il y a des ordinateurs dont ces brillants adeptes n'ont même jamais entendu parler, ils ont des décennies, voire des siècles, d'avance sur les produits de consommation existants. Il se peut donc que vous et moi vivions depuis longtemps à l'intérieur de la figure de la Terre, mais nous avons en quelque sorte manqué le moment où nous étions entassés ici.