Le calcul scientifique : de la modélisation à la simulation numérique grâce à un ordinateur ultra-puissant

Certains des phénomènes de la physique, de la chimie, de la biologie et des sciences appliquées en général peuvent être traduits en équations, et ainsi être "modélisés".

Cette étape s’appuie sur des principes scientifiques fondamentaux, comme la conservation de la masse ou de l’énergie, et consiste à décrire le phénomène via un jeu de paramètres essentiels, de manière à la fois simple et réaliste. Calculer les valeurs numériques possibles de ces paramètres est ce qu’on appelle une simulation.

L’expérience permet d’affiner ces paramètres, et alimente ainsi la simulation. La simulation quant à elle, permet l’exploration de nombreuses solutions qui, rendues ainsi accessibles, permettent d’observer ou de prévoir des situations inattendues. Ainsi, après la théorie et l’expérience, la simulation constitue une troisième forme d’études des phénomènes.

L’essor de la simulation numérique est directement lié au progrès de l’informatique. Les ordinateurs de bureau peuvent parfois suffire pour modéliser un phénomène ou pour étudier une hypothèse. Mais dans certains cas, il faudra plus de ressources et plus de mémoire. Le recours à des super-calculateurs, sorte d'ordinateurs ultra-puissants, n’intervient qu’une fois le modèle établi et la programmation de la simulation terminée.

La simulation numérique a cependant des limites. Outre le fait que certains phénomènes sont encore mal compris et donc difficilement traduisibles en équations, certains modèles requièrent des puissances de calcul indisponibles actuellement. Il existe aussi une limite d’ordre théorique : comme le nombre d’opérations croit de manière exponentielle en fonction du degré de précision demandé, certains modèles mathématiques ne peuvent être résolus par un ordinateur en un temps raisonnable.

Les thématiques de recherche pouvant être traitées sur les calculateurs restent cependant fort diversifiées. Ainsi, à l’Université de La Réunion, nous recensons par exemple pour cette rentrée des travaux de recherche :

• sur des molécules extraites de plantes ou d’organismes marins,
• sur la dynamique de la stratosphère et la variabilité du climat,
• sur les leptospires (bactéries) qui concernent les chauves-souris de Madagascar,
• sur l’amélioration de modèles numériques pour la prévision solaire en milieu insulaire,
• sur la simulation de coulée de laves, etc.

Retrouvez tous les projets en cours ici : http://numerique.univ-reunion.fr/ressources/centre-de-calcul/simulations/