L'histoire du calcul bénévole et la participation de la Planetary Society

Rechercher E.T. et un traitement contre le Cancer : La Planetary Society participe au déclic d'une révolution informatique.

Les dernières nouvelles relatives à SETI@Home par Amir Alexander et Charlene Anderson

The Planetary Report , May/June 2007

Nous ne pouvions pas dire "non" lorsque cette opportunité s'est offerte à nous : faire partie d'une expérience dans laquelle le grand public pourrait vraiment contribuer à la recherche scientifique pour saisir la chance de faire une découverte qui pourrait changer le monde ou notre vision du monde. C'est ce que SETI@home a promis lorsque David Anderson et Dan Werthimer de l'Université de Californie, Berkeley, ont présenté le projet à la Planetary Society pour nous demander notre aide pour son lancement. Avec le soutien de nos membres, nous avons sauté sur l'occasion, et près six millions de participants plus tard, SETI@home est un repère dans l'histoire du calcul scientifique.

	SETI est à l'origine de toutes les améliorations que nous avons connues dans le domaine du calcul bénévole. Ci-dessus : le radio-téléscope de 26 mètres à Green Bank en Virginie occidentale, qui a été utilisé par la première expérience SETI -- le Projet Ozma (Crédit: NRAO / AUI)

Une des raisons principales pour laquelle nous avons soutenu SETI@home fut le potentiel du projet à avancer dans la recherche d'une intelligence extraterrestre (SETI), un effort intimement lié à la Planetary Society depuis notre fondation. Mais il y avait plus que cela. À l'époque, nous étions certains que SETI@home tracerait un chemin vers un nouveau mode du calcul, dans lequel des paquets de données seraient distribués à un réseau d'ordinateurs individuels, créant un ordinateur géant virtuel capable de diminuer de façon significative l'argent et le temps que les scientifiques dépensent pour effectuer une somme de calculs problématiques.

Le potentiel des "dérivés" - les applications qui suivrait la recherche initiale - était évident dès la naissance de SETI@home, mais le passage des potentialités à la réalité n'est jamais garanti. On pouvait seulement l'espérer. Dans le cas de SETI@home, cet espoir a été réalisé de façon spectaculaire.

Des applications allant de la participation de la télévision britannique aux consoles de jeu vidéo, les avantages inattendus de SETI@home commencent tout juste à arriver. Les membres de la Planetary Society ont vraiment pariticipé à l'émergence de nouvelles techniques pionnières dans le processus scientifique. Notre investissement initial nous a gratifié en retour de résultats étonnants qui continueront à délivrer leurs avantages dans les années à venir.

Un problème de calcul

Les scientifiques conduisant des projets de recherche complexes dépendent des ordinateurs pour les aider à traiter les masses de données rassemblées par les instruments modernes. L'informatique actuelle revêt plusieurs contraintes : les grands et puissants ordinateurs sont chers, et le temps de calcul sur les quelques ordinateurs géants existants est rare. Les équipes de recherche se battent pour avoir accès à ce précieux temps machine. En outre, certaines des énigmes scientifiques les plus intrigantes impliquent des calculs si détaillés et si complexes qu'ils n'ont besoin non pas d'heures ou de jours de calculs, mais d'années entières voire même de décennies de calcul pour les résoudre. Si seulement la science réalisait pleinement le potentiel de la révolution informatique entamée par la recherche SETI, une approche différente était nécessaire.

Une solution arriva sous une forme inattendue : Internet. Dans les années 90, des millions d'ordinateurs, isolés dans les bureaux et les maisons, ont été reliés les uns aux autres par la magie du World Wide Web (la toile (d'araignée) mondiale). Tout à coup, en un clic de souris, les utilisateurs pouvaient instantanément communiquer faisant fi des frontières, des continents, et des océans. Ce monde subitement relié pouvait-il permettre d'associer les ordinateurs en vue de poursuivre un but scientifique ?

En 1995, à Berkeley en Californie, une équipe de scientifiques a décidé de répondre à cette question. L'idée, née de l'imagination des ingénieurs informaticiens David Anderson et David Gedye, avec l'appui d'un des scientifiques du projet SETI, Dan Werthimer, était brillante par sa simplicité. La plupart des ordinateurs n'utilisent qu'une fraction de leur capacité de calcul, en passant le plus clair de leur temps en veille. Et si cette puissance de calcul processeur et de mémoire vive gaspillée pouvait être utilisée pour traiter la masse de données rassemblées par la recherche d'une intelligence extraterrestre, la puissance de calcul de l'ordinateur géant le plus rapide au monde deviendrait un nain informatique face à ce réseau.

La naissance du calcul bénévole

L'idée était brillante, mais aucun investisseur n'était disposé à donner de l'argent pour son développement. Anderson et Werthimer ont remué ciel et terre à la recherche de fonds pour lancer l'idée, mais hormis quelques donations en nature, aucun sponsor visionnaire n'a fait un pas vers l'avant - jusqu'à ce qu'ils appelent la Planetary Society. En utilisant les fonds du Carl Sagan Fund for the Future et une donation de Paramount Pictures, nous avons fourni les 100.000 premiers dollars requis pour démarrer le projet.

Et ainsi SETI@home était né. Lancé en 1999, il devint vite le chouchou des médias internationaux. En quelques mois, des millions de PC affichaient déjà les graphiques dynamiques de puissance qui deviendront l'icone du projet SETI@home. Ce fut un succès incroyable que même le plus optimiste des fondateurs de SETI@home n'aurait jamais imaginé. Les utilisateurs de SETI@home ont rendu possible la recherche d'une intelligence extraterrestre la plus précise jamais conduite ; ils ont également démontré la puissance et le potentiel du calcul bénévole. SETI@home devenait - et de loin - le plus grand et le plus puissant réseau informatique jamais assemblé, accomplissant en quelques mois des calculs qui auraient normalement pris des décennies.

L'écran de veille classique et originel du projet Seti@home (crédit : The Planetary Society)

Les scientifiques d'autres domaines ont rapidement pris note et ont recherché des manières de tirer avantage de cette remarquable ressource. Les premiers furent une équipe de l'université de Stanford qui tentait de déchiffrer les mystères du repliement des protéines, leur projet étant idéalement approprié au calcul bénévole. Les protéines sont de longues chaines d'acides aminés, les "briques du vivant". Pour mener à bien leurs fonctions, les protéines ne peuvent pas rester de simples chaines, ou "colliers", mais ont besoin de se plier dans des formes complexes et spécifiques. Un des mystères les plus étonnants du vivant est que les protéines exécutent cette tâche de manière fiable, efficace, et rapide. Modéliser ce processus à l'échelle atomique s'est avéré être l'un des défis les plus complexes de la biologie informatique. La résolution de ce problème, non seulement aiderait les scientifiques à mieux comprendre les processus du vivant, mais pourrait également aider à combattre certaines des maladies les plus invalidantes affectant l'humanité telles que : Parkinson, Alzheimer, l'ESB ("la maladie de la vache folle"), et certains types de cancer.

La difficulté principale de la simulation du repliement des protéines est le temps, explique Vijay S. Pande de l'université de Stanford. Les protéines se plient sur une échelle de temps en micro-secondes (le millionième d'une seconde), mais la simulation du repliement sur une seule nanoseconde (un milliardième d'une seconde) prend environ un jour à un ordinateur moyen. À ce rythme, cela prendrait presque trois ans pour simuler une micro-seconde de repliement et peut-être même une ou deux décennies de temps machine pour analyser le repliement d'une protéine simple. Ce n'est pas la façon la plus pratique pour résoudre le problème.

Puis vint SETI@home, Pande et ses collègues ont pris bonne note. En une année, SETI@home avait exécuté non pas une ou deux décennies de calcul mais bel et bien des millions d'années de calcul. Ce genre de puissance de calcul pouvait résoudre les difficultés des simulations de pliage de protéines. Après une année pour concevoir leur propre plateforme de calcul bénévole, l'équipe de Stanford a lancé folding@home avec des résultats spectaculaires. Dans un délai de deux ans, la première publication scientifique du projet est parue dans Nature. Bien que la longue route qui mène au traitement des maladies se trouve toujours devant nous, à la date de cet article, le projet a permis la publication de 49 articles revus par des pairs dans des journaux scientifiques faisant reférence.

Folding@home socillite maintenant d'autres régions du Cyber-espace, au delà de la seule communauté des utilisateurs d'ordinateurs. En mars, les "gamers" utilisant la PlayStation 3 de Sony ont pu saisir la chance qui leur était donnée de combiner le divertissement avec la recherche scientifique en lançant folding@home sur leurs machines. Plus de 100.000 utilisateurs ont téléchargé le logiciel folding@home seulement deux jours après sa mise en service, avec environ 35.000 participants en tout temps. Les puissants processeurs au coeur des consoles de jeu sont conçus pour exécuter des calculs extrêmement rapides, 10 à 50 fois plus rapidement qu'un PC ordinaire. Ainsi, bien que la console PlayStation 3 ne représente qu'un cinquième des machines sur folding@home, elle participe aux deux-tiers de la puissance de calcul du projet.

L'écran du projet folding@home sur la Playstation 3 de Sony

L'image montre le pliage de la protéine tel qu'il est déchiffré en temps réel par le processeur. Les points de lumière en arrière-plan montrent en temps réel l'emplacement géographique des PlayStation 3 faisant tourner folding@home (crédit : Stanford University / folding@home).

La naissance de BOINC

Bien que SETI@home et folding@home soient deux projets parfaitement réussis faisant participer plusieurs milliers de personnes et de machines à travers le monde, les projets ont révélé les limites du concept de calcul bénévole. Chaque équipe de recherche, travaillant séparément, a dû concevoir son propre projet à partir de zéro, écrire et tester son propre logiciel, acheter et entretenir ses propres serveurs. C'est un défi même pour les ingénieurs informaticiens, et encore plus pour les scientifiques travaillant dans les domaines tels que la biologie, la physique, ou la médecine, qui ont peu de connaissances sur la façon de concevoir et faire fonctionner un réseau informatique. Bien que les équipes de Berkeley et de Stanford aient réussi à concevoir et à entretenir leurs projets respectifs, entreprendre une expérience de calcul bénévole était en soi un exploit important d'ingénierie, peu de scientifiques seraient capable de suivre cette route.

David Anderson, directeur de projet de SETI@home, a considéré qu'il avait la solution. Comment rendre le calcul bénévole simple et facile à utiliser, pour que de nombreuses équipes de recherche réticentes puissent tirer avantage de son potentiel remarquable. Avec cette problématique à l'esprit, et avec l'expérience accumulée sur SETI@home, Anderson a créé l'infrastructure de Berkeley pour le calcul en réseau, connue par son acronyme accrocheur : BOINC (Berkeley Online Infrastructure for Network Computing)

À la différence de SETI@home ou de folding@home, BOINC n'est pas en soi un projet de recherche de calcul bénévole. C'est plutôt un code informatique facile à utiliser disponible pour n'importe quelle personne qui souhaiterait lancer un tel projet. Avec des modifications relativement mineures, le code de BOINC peut être utilisé pour des projets dans presque n'importe quel domaine.

Le projet qui a permis d'ouvrir la voie à BOINC était SETI@home. En juin 2004, les utilisateurs ont commencé à télécharger BOINC, qui est plus puissant et plus flexible que le projet original. À la fin de l'année, la transition de SETI@home vers BOINC était terminée, et la version "classique" du projet fut arretée.

La conversion de SETI@home était une étape importante car BOINC permet aux utilisateurs de calculer facilement sur plusieurs projets. N'importe quel volontaire peut, par exemple, décider de calculer sur SETI@home à 70% de son temps et sur un projet de biologie les 30% restants. En conséquence, les armées d'utilisateurs SETI@home étaient disponibles pour d'autres projets BOINC qui commençaient à voir le jour.

Peu de temps après, de nombreux autres projets ont lancé leurs propres programmes sur BOINC. Parmi eux, le projet predictor@home, de l'institut de recherche Scripps (Scripps Research Institute) à San Diego. Comme folding@home, il étudie le repliement des protéines, mais alors que le projet de Stanford essaye de déterminer les séquences de repliement en fonction du temps, predictor@home se concentre sur l'architecture interne de la protéine pliée. Deux autres projets BOINC utilisent l'informatique répartie pour déchiffrer la structure des protéines : Rosetta@home, de l'université de Washington, et Proteins@home, de l'École Polytechnique en France.

Selon David Anderson, 40 projets ont maintenant rejoint la famille BOINC et utilisent le calcul bénévole. Primegrid.com est un projet mathématique qui recherche de très grands nombres premiers et a déjà trouvé plus de 1300 nouveaux nombres premiers parmi les 5000 plus grands. Einstein@home de l'université du Wisconsin à Milwaukee recherche des pulsars dans l'espace grâce aux données des détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et GEO. LHC@home simule le Grand Collisionneur Hadronique, un accélérateur de particules qui sera construit dans les installations du CERN près de Genève, et deviendra le plus grand laboratoire de physique des particules au monde. En simulant les particules se déplaçant dans l'accélérateur, LHC@home aide à la conception extrêmement précise requise par le LHC.

La BBC monte à bord

Le projet le plus populaire, mis à part SETI@home, est climateprediction.net, un projet BOINC de l'université d'Oxford et de l'Open University (l'Université Ouverte) au Royaume-Uni. Comme son nom l'indique, climateprediction.net étudie un des problèmes les plus urgents de la science et des politiques publiques : le futur climat de la Terre.

"Il a tout commencé," s'exclame Bob Spicer co-leader du projet à l'Open University , "vers la fin des années 90 lorsque Myles Allen de l'université d'Oxford remarque l'écran de veille SETI@home sur l'ordinateur d'un de ses collègues." Après que le concept lui ait été expliqué, il commence à se demander, "serait-il possible de modéliser le climat de la Terre de cette façon ?"

L'ouragan Katrina vu depuis l'espace, 28 août 2005 Alors qu'il n'est pas possible de dire avec certitude si le changement climatique est responsable de l'augmentation du nombre et de la puissance des ouragans, nous avons certainement besoin de méthodes de prévision climatique améliorées pour mieux se préparer à ces tempêtes dévastatrices. Crédit : NOAA (agence américaine responsable de l'étude de l'océan et de l' atmosphère)

Ce ne fut pas facile. Les modèles climatiques sont extrêmement complexes, divisant la surface de la Terre en petits carrés, puis en redivisant ces derniers en couches différentes de l'atmosphère. Le modèle fonctionne en fonction du temps, prenant en ligne de compte des facteurs tels que l'effet croissant des gaz à effet de serre émis par l'Homme qui peuvent réchauffer la Terre, et le soufre qui refroidit la planète en bloquant la lumière du soleil.

Puis intervient l'effet des océans, qui expliquent pour près de 50% tout changement climatique. Pour compliquer un plus les choses, l'atmosphère et les océans opèrent sur différentes échelles de temps : l'atmosphère peut répondre aux facteurs du changement climatique en quelques jours, mais les océans peuvent prendre des siècles pour changer leurs modèles. Tout cela conduit à un ambitieux exercice informatique exigeant les ressources informatiques disponibles les plus en pointe et les plus rapides.

En septembre 2003, Allen, Spicer, et leurs collègues ont lancé climateprediction.net. La première version a été simplifiée et n'a pas intégré les océans. Elle a rendu le problème plus facile pour déterminer quel effet le doublement de la quantité de dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère aurait sur le climat de la Terre. Même simplifié, climateprediction.net faisait déjà mieux que les modèles concurrents : en janvier 2005, quand le premier article est paru dans Nature, climateprediction.net avait calculé 2.570 simulations du climat de la Terre, à comparer aux 127 calculés par le superordinateur de Met Office, l'organisme gouvernemental britannique responsable de la surveillance du temps et du climat.

Lors de la deuxième étape du projet, Oxford et l'Open University ont été rejointes par un étonnant nouvel associé : la British Broadcasting Corporation (BBC). Désireux d'engager le public dans une discussion au sujet du changement climatique, la BBC projetait une série de documentaires sur le réchauffement planétaire et ses effets, en vue de les diffuser en 2006. Elle a proposé de faire de climateprediction.net une partie à part entière de son projet, en faisant la promotion de climateprediction.net dans ses documentaires, et en invitant le public à participer. C'était une offre qu'Allen, Spicer, et leurs collègues ne pouvaient pas louper.

La nouvelle version de climateprediction.net, également connue sous le nom de "BBC experiment" (l'expérience BBC) était bien plus complexe que la première version. Un océan réaliste faisait maintenant partie intégrante du modèle, et plutôt que de comparer des états distincts (niveaux actuels de CO2 dans l'atmosphère contre doublement de ces niveaux), le programme a suivi l'évolution du climat en pistant les facteurs y contribuant. À la différence de la première version, le nouveau projet climateprediction.net était un membre à part entière de la famille BOINC.

La BBC, en attendant, a fait son travail. Pour inaugurer le projet en février 2006, elle a diffusé un documentaire d'une heure, intitulé la fonte des glaces (Meltdown), sur le changement climatique. Le documentaire invitait les téléspectateurs à participer à BBC experiment, et le projet connut un énorme succès durant la nuit. Durant les 10 jours suivant la diffusion de "Meltdown", 100.000 personnes répartis dans 143 pays avaient téléchargé le logiciel et calculaient sur climateprediction.net. Un mois après, ce nombre avait doublé.

Selon Spicer, climateprediction.net exige bien plus qu'un simple ordinateur comme c'est le cas pour SETI@home. Un PC standard peut traiter une unité de travail SETI@home en quelques jours, mais le calcul d'une simple simulation de climateprediction.net pourrait prendre des mois. Néanmoins, vers la fin de l'année 2006, plus de 50.000 simulations avaient été calculées et renvoyées au quartier général du projet. Pour marquer la réussite de BBC experiment, la chaîne a diffusé un second documentaire, intitulé "Climate Change : Britain Under Threat" (changement climatique : La Grande-Bretagne sous la menace), présenté par le présentateur britannique vedette, David Attenborough.

Bien que la participation de la BBC soit maintenant terminée, climateprediction.net continue toujours très fort. Son but final est de calculer plusieurs millions de simulations pour explorer pleinement les effets de chacun des 23 paramètres inclus dans le modèle. « C'est une véritable recherche scientifique qui ne pourrait pas être effectuée par d'autres moyen, » précise Spicer. « Elle utilise un modèle ultra moderne, et elle permet de nourrir les discussions publiques en cours au sujet du changement climatique. »

Fonds d'écran possibles sur le projet Climateprediction.net

Le globe à gauche modélise les températures, le globe à droite modélise des nuages. (crédit : Climateprediction.net)

Le futur

SETI@home et climateprediction.net offrent un aperçu de la puissance et du potentiel du calcul bénévole. Cette technologie fournit d'énormes ressources informatiques à des projets et relie le public à la science comme jamais cela avait été possible auparavant. Les projets du type de climateprediction.net, ajoute Bob Spicer, "permettent au grand public de se rendre compte des contraintes d'un véritable projet scientifique, auquel ils ont entièrement participé." Le calcul bénévole est ce qui rend tout possible.

Anderson recherche toujours des moyens d'améliorer le calcul bénévole, y compris l'élargissement au monde du jeu vidéo. Bien qu'il considère ceci comme un chemin prometteur, la plupart des projets ne sont pas aussi compatibles avec les consoles de jeu que ne l'est folding@home. Par exemple, climateprediction.net ne fonctionnera jamais sur une PlayStation 3, explique Anderson, car le projet exige beaucoup trop de mémoire. Les projets comme SETI@home pourraient probablement fonctionner sur une console de jeu, bien que l'amélioration par rapport aux ordinateurs conventionnels ne serait probablement pas aussi spectaculaire que cela l'a été pour folding@home. Néanmoins, Anderson et son équipe sont en cours de discussion avec Sony pour le lancement d'une version BOINC pour PlayStation 3.

BOINC revendique 40 projets d'informatique répartie, mais Anderson est loin d'être satisfait. Il a estimé cela au fait "que 99% des scientifiques qui pourraient profiter du calcul bénévole ne sont que faiblement conscients de l'existence de BOINC." Les raisons qu'il avance ne sont pas très différentes de celles qui ont motivé la création BOINC : les scientifiques dans d'autres domaines sont rarement bien informés sur l'informatique, et leurs experts IT (en technologie de l'information) veulent souvent garder la main sur un projet, ce qui n'est pas toujours possible avec cette nouvelle approche. En conséquence, le calcul bénévole est rarement envisagé par les chercheurs.

Pour surmonter ces barrières, Anderson propose aux universités ce qu'il appelle le "virtual campus supercomputing centers" (les centres superinformatiques virtuels de campus). Ce seraient des centres universitaires de calcul bénévole qui offriraient l'hébergement et le conseil technique à n'importe quelle équipe de recherche en quête de ressources informatiques. Les centres chercheraient les chercheurs qui pourraient se servir de leurs services. Une université pourrait faire appel à ses élèves et leur demander de passer quelques heures sur leurs ordinateurs pour faire avancer le centre de calcul virtuel. Les diplômés désireux de rester dans la communauté de l'université où ils ont étudié et de participer aux prouesses scientifiques y contribueront avec plaisir.

Anderson prend le succès de "World Community Grid" à coeur - un programme de calcul d'IBM qui héberge et fait fonctionner des opérations de calcul pour des projets scientifiques choisis. Dans l'idée d'Anderson, le "virtual computing supercomputer center" ferait plus ou moins la même chose mais sur une échelle plus grande. À l'avenir, il espère que chaque campus universitaire aura son propre centre. Quelque part en cours de route, Anderson croit qu'un point d'inflexion sera atteint et les projets d'informatique répartie deviendront si communs qu'ils seront considérés dans tous les domaines comme une option viable pour des calculs complexes et longs. Alors la révolution de calcul bénévole sera complète.

Et pour SETI@home, le grand-père de tous les projets ? Huit ans après son lancement et trois ans après sa conversion à BOINC, le projet va toujours très bien. Avec des centaines de milliers d'utilisateurs, il compte environ la moitié des volontaires sur BOINC. Aujourd'hui, explique le scientifique en chef Dan Werthimer, grâce à un nouveau récepteur multi-faisceaux installé à l'observatoire d'Arecibo et à la puissance de calcul accrue du projet, SETI@home est plus puissant et plus précis que jamais.

Alors que de plus en plus de projets suivent le chemin qu'il a balisé pour le calcul bénévole et la participation publique à la science, SETI@home continue patiemment son chemin, calculant des données et cherchant ce signal dans l'espace. Quelque part dans le vaste réseau planétaire de SETI@home, le signe fugace d'une intelligence extraterrestre attend peut-être sa découverte.

Notre investissement a-t-il reçu les effets escomptés ? Qui pourrait répondre non à cette question ? SETI@home et ses avantages inattendus démontrent la foi de la Planetary Society en l'avenir et notre croyance qu'en poursuivant la découverte et la compréhension de l'univers, nous pouvons rendre ce petit monde meilleur. Nous sommes fier que vous ayez aidé à rendre ceci possible.