Ils construisent le jumeau numérique de notre planète

Un jumeau numérique de notre planète doit simuler le système terrestre dans le futur. Il est destiné à aider les politiques à prendre les mesures appropriées pour mieux se préparer aux événements extrêmes. Un nouveau document stratégique rédigé par des scientifiques européens et des informaticiens de l'ETH Zurich montre comment y parvenir.
Un jumeau numérique de la Terre doit simuler le système terrestre de manière complète et à haute résolution et servir, par exemple, de base pour orienter les mesures d'adaptation au changement climatique. (Image : ESA)

Pour devenir neutre sur le plan climatique d'ici 2050, l'Union européenne a lancé deux programmes ambitieux : «GreenDeal» et «DigitalStrategy». Comme élément clé de leur mise en œuvre réussie, les climatologues et les informaticiens ont lancé l'initiative «Destination Terre», qui débutera à la mi-2021 et devrait durer dix ans. Au cours de cette période, un modèle numérique de la Terre très précis sera créé, un véritable jumeau numérique, afin de cartographier l'évolution du climat et les événements extrêmes aussi précisément que possible dans l'espace et le temps.

Des données d'observation seront continuellement incorporées dans le jumeau numérique afin de rendre le modèle numérique de la Terre plus précis pour suivre l'évolution et prédire les trajectoires futures possibles. Mais en plus des données d'observation traditionnellement utilisées pour les simulations météorologiques et climatiques, les scientifiques souhaitent 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 des humains sur la gestion de l'eau, de la nourriture et de l'énergie, ainsi que les processus du système physique terrestre.

Système d'information pour la prise de décision

Le jumeau numérique de la Terre a pour but de créer un système d'information qui élabore et teste des scénarios qui montrent un développement plus durable et donc de mieux informer les politiques. «Si vous prévoyez une digue de deux mètres de haut aux Pays-Bas, par exemple, je peux parcourir les données de mon jumeau numérique et vérifier si la digue protégera encore, selon toute probabilité, contre les événements extrêmes prévus 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 des approvisionnements en eau douce et en nourriture ou des parcs éoliens et des centrales solaires.

Les forces motrices de «Destination Terre» sont le CEPMMT, l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Organisation européenne pour l'exploitation de satellites météorologiques (EUMETSAT). Avec d'autres climatologues, Peter Bauer fait avancer la science du climat et les aspects météorologiques du jumeau numérique de la Terre. Les expertes et experts s'appuient sur le savoir-faire des informaticiens de l'ETH Zurich et du Centre suisse de calcul scientifique (CSCS), à savoir les professeurs de l'ETH Zurich Torsten Hoefler, de l'Institut des systèmes de calcul haute performance, et Thomas Schulthess, directeur du CSCS.

Afin de réaliser cette étape majeure de la révolution numérique, Peter Bauer souligne qu'il faut marier les sciences de la terre et les sciences informatiques. Dans une publication qui vient de paraître dans Nature Computational Science, l'équipe de scientifiques en sciences de la terre et en informatique discute à présent des mesures concrètes qu'ils aimeraient prendre pour faire avancer cette «révolution numérique des sciences du système terrestre», où ils voient les défis et où des solutions possibles peuvent être trouvées.

Les modèles météorologiques et climatiques comme base

Dans leur article, les chercheurs reviennent sur le développement constant des modèles météorologiques depuis les années 1940, une réussite qui s'est déroulée dans le calme. Les météorologues ont été les pionniers, pour ainsi dire, des simulations de processus physiques sur les plus grands ordinateurs du monde. En tant que physicien et informaticien, Thomas Schulthess du CSCS est donc convaincue que les modèles météorologiques et climatiques d'aujourd'hui sont parfaitement adaptés à l'identification de moyens nouveaux permettant à de nombreuses autres disciplines scientifiques d'utiliser efficacement les superordinateurs.

Dans le passé, la modélisation du temps et du climat utilisait différentes approches pour simuler le système terrestre. Alors que les modèles climatiques représentent un ensemble très large de processus physiques, ils négligent généralement les processus à petite échelle, qui sont pourtant essentiels pour les prévisions météorologiques plus précises qui, à leur tour, se concentrent sur un nombre plus restreint de processus. Le jumeau numérique de la Terre réunira les deux domaines et permettra des simulations à haute résolution qui dépeignent les processus complexes de l'ensemble du système terrestre. Mais pour y parvenir, les codes des programmes de simulation doivent être adaptés aux nouvelles technologies qui promettent une puissance de calcul beaucoup plus importante.

Avec les ordinateurs et les algorithmes disponibles aujourd'hui, les simulations très complexes peuvent difficilement être réalisées à la résolution extrêmement élevée d'un kilomètre prévue, car pendant des décennies, le développement des codes a stagné du point de vue de l'informatique. La recherche sur le climat a bénéficié de la possibilité d'obtenir des performances plus élevées grâce à de nouvelles générations de processeurs sans avoir à modifier fondamentalement leur programme. Ce gain de performance gratuit avec chaque nouvelle génération de processeurs s'est arrêté il y a environ 10 ans. Par conséquent, les programmes actuels ne peuvent souvent utiliser que 5 % des performances de pointe des processeurs classiques (CPU).

Pour obtenir les améliorations nécessaires, les auteurs soulignent la nécessité de la co-conception, c'est-à-dire le développement simultané et conjoint de matériel et d'algorithmes, comme le CSCS l'a démontré avec succès au cours des dix dernières années. Ils suggèrent d'accorder une attention particulière aux structures de données génériques, à la discrétisation spatiale optimisée de la grille à calculer et à l'optimisation des longueurs de pas de temps. Les scientifiques proposent en outre de séparer les codes destinés à résoudre le problème scientifique des codes qui effectuent le calcul de manière optimale sur l'architecture du système respectif. Cette structure de programme plus souple permettrait un passage plus rapide et plus efficace aux architectures futures.

Profiter de l'intelligence artificielle

Les auteurs voient également un grand potentiel dans l'intelligence artificielle (IA). Elle peut être utilisée, par exemple, pour l'assimilation de données ou le traitement de données d'observation, la représentation de processus physiques incertains dans les modèles et la compression de données. L'IA permet ainsi d'accélérer les simulations et de filtrer les informations les plus importantes de grandes quantités de données. En outre, les scientifiques partent du principe que l'utilisation de l'apprentissage automatique rend non seulement 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 d'un jumeau numérique de la Terre. Parmi les architectures informatiques disponibles aujourd'hui et celles attendues dans un avenir proche, les supercalculateurs basés sur des unités de traitement graphique (GPU) semblent être l'option la plus prometteuse. Les chercheuses et chercheurs estiment que l'exploitation à grande échelle d'un jumeau numérique nécessiterait un système d'environ 20 000 GPU, consommant une puissance estimée à 20 MW. Pour des raisons à la fois économiques et écologiques, un tel ordinateur devrait être exploité dans un lieu où l'électricité produite par est neutre en CO2 et disponible en quantité suffisante.

Références

Bauer P, Dueben PD, Hoefler T, Quintino T, Schulthess TC, Wedi NP: The digital revolution of Earth-​system science. Nat. Comput. Sci. 1, 104–113 (2021). doi: 10.1038/s43588-​021-00023-0.

Bauer, P, Stevens, B, Hazeleger, W. A digital twin of Earth for the green transition. Nat. Clim. Chang. 11, 80–83 (2021). doi: 10.1038/s41558-​021-00986-y .