Pourquoi et comment le monde et les sciences … · Explosion d'une supernova 48. Chimie du...

Pourquoi et comment le monde et les sciences deviennent numériques

Gérard Berry

Visiatome, 11/02/1010

Collège de France & INRIAChaire Informatique et sciences numériques

www.college-de-france.frwww-sop.inria.fr/members/Gerard.Berry

(plus simple : Gérard Berry sur Wikipedia)

De grands bouleversements

Communication : Internet, tél. portable, tél. gratuit

Audio-visuel : MP3, photo/vidéo numérique, RDS, TNT, TVHD

Services, commerce : en ligne

Cartographie : cartes & photos interactives

Transports: GPS, pilotage, sécurité

Industrie: gestion, outillage, CAO, travail à distance

Sciences: modélisation et expérimentation numérique

Médecine: imagerie, chirurgie et prothèses numériques

Grande industrie qui irrigue toutes les autres...... et grande science qui irrigue toutes les autres

2

Les quatre piliers du numérique

1. La numérisation de l'information

2. La prodigieuse machine à information

3. La science et la technologie de sa conception et de son usage

4. Un espace d'innovation (presque) sans freins

3

Autrefois : dépendance information / support

Quel beau texte!Quelles belleséquations!

4

Maintenant : indépendance et convergence

0110011011110110010011101100

Quel beau texte!Quelles belleséquations!

5

... sans abandon exagéré

0110011011110110010011101100

6

... et avec améliorations

0110011011110110010011101100

7

133

192

57

14427

-7322

8

Transporter et transformer l'information

• Algorithmes génériques– copier à l'infini sans aucune modification– stocker, diffuser, comprimer, crypter, etc.

• Algorithmes spécifiques– textes : recherche, correction orthographique– sons, images : compression, amélioration– forces : mesures, contrôle– nombres : opérations, cryptage, matrices, …

9

Al Khuwārizmī~ 783 - 850

algorithmealgèbre

Source Maurice Nivat

10

2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 36 37 38 39 40 4142 43 44 45 46 47 48 49 50 51

Un nombre est premier s’il n’a pas

d’autre diviseur que 1 et lui-même

Le crible d’Eratosthène

11

2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 36 37 38 39 40 4142 43 44 45 46 47 48 49 50 51

Le crible d’Eratosthène

Un nombre est premier s’il n’a pas

d’autre diviseur que 1 et lui-même

12

2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 2122 23 24 25 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 36 37 38 39 40 4142 43 44 45 46 47 48 49 50 51

2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 2122 23 24 25 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 36 37 38 39 40 4142 43 44 45 46 47 48 49 50 51

2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 2122 23 24 25 26 27 28 29 30 3132 33 34 35 36 37 38 39 40 4142 43 44 45 46 47 48 49 50 51

Le crible d’Eratosthène

Un nombre est premier s’il n’a pas

d’autre diviseur que 1 et lui-même

13

Le crible de Darwin : p, kp → p

39

7

28

4

7

7

7

2

14

Comparaison des cribles

séquentialitécausalité complexe

déterminisme du calculdéterminisme du résultat

terminaison trivialelimité au fini

parallélisme massifcausalité minimale

non-déterminisme du calculdéterminisme du résultatterminaison probabiliste

passe à l’infini

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Le calcul humain assisté

16

Curt Herzstark, 1936-1945 17

La révolution du microprocesseur

Si vous m’instruisez bien, je sais tout faire tout seul,en tournant moi-même la manivelle !

coeur 1

coeur 2

18

La révolution du microprocesseur

Rapidité, exactitude, stupidité

coeur 1

coeur 2

19

Source Micron

Source ASML

Source Photronics : réticule

Source Intel

Source AMAT

Source ASML 20

La loi de Moore

21

10um6um

3um1.5um

1um 0.8um0.25um

0.18um90nm

65nm45nm

Taille du transistor

1$ / transistor

0, 000 001 $ / transistor

La révolution du microprocesseur

Si vous m’instruisez bien, je sais tout faire tout seul,en tournant moi-même la manivelle !

coeur 1

coeur 2

22

Le logiciel

• Très long texte dans un langage très technique

• Devenant de plus en plus gros (millions de lignes)

• Circuits peu variés, logiciels très variés

• Circuits très rigides, logiciels très souples

• Mais pas de loi de Moore....

23

Un circuit ne fait que des choses très simplesIl en fait des milliards par seconde, et sans erreur

Le logiciel : spécifier quoi faire, dans tous les détails

24

const bool SimpleSignal::CheckEmitterOk (const NetInfo& sourceNetInfo) const {const Module& module = GetModule();if (! IsClock()) {return true;

}// signal is a clock, no problem if no emitter so farOrGate& sigcurOrGate = sigcur_or_gate_set.GetGate(IncarnIndex());if (sigcurOrGate.GetPFirstFaninGateCell() == NULL) {return true;

} else {// two emissions, reject// fetch current emitter statementif (!sourceNetInfo.IsStatementNetInfo()) {StnInternalError("bad netinfo for statement gate");

}const StatementNetInfo& statementNetInfo =static_cast<const StatementNetInfo&>(sourceNetInfo);

const Statement& statement = statementNetInfo.GetStatement();// fetch previous emitter statementconst Gate& prevSourceGate = sigcurOrGate.GetPFirstFaninGateCell()->GetConnection().GetSourceGate();

const NetInfo& prevSourceNetInfo = prevSourceGate.GetNetInfo();if (!prevSourceNetInfo.IsStatementNetInfo()) {StnInternalError("bad netinfo for statement gate");

}const StatementNetInfo& prevStatementNetInfo =static_cast<const StatementNetInfo&>(prevSourceNetInfo);

const Statement& prevStatement = prevStatementNetInfo.GetStatement();const char* errMess ="clock defined twice";StnErrorWithTwoPragmaLists(errMess,

prevStatement.GetPragmaList(),statement.GetPragmaList(),module);

GenerationError = true;return false;

}}

25

Scade 6 : avions, trains, voitures, etc.

Source Esterel Technologies25

D’un ordinateur, on ne sort jamais que ce qu’on y a misD’un ordinateur, on ne sort jamais que ce qu’on y a mis

D’Internet, je sors ce que le reste du monde y a mis

Homo bureaucratus

Homo Internetus

26

Rapidité

Exactitude

Stupidité

Maîtrise ?

Modèles de calcul

Sans la main => sans la pensée !

Intuition

RigueurRigueurRigueurRigueurLenteur

Calculer sur le calcul

27

28

TDGGTDTDGDDTGDGTTDGGTDTTGTDTGDGT

TDGGTDTTGDDTGDGT

Interblocage (deadlock)

29

Famine (starvation)

30

13:0613:0312:57

Le ski au 20e siècle

13:00

31

Le ski au 20 e siècle, avec protocole

13:0613:0312:5713:00

32

Le ski au 21e siècle

On peut même prévenir d’avance qu’on sera en retard !

13:0613:0312:5713:00

33

La téléphonie numérique

numérique

analogique

sans fil,abolition du lien spatial

34

Ecologie : réseaux de capteurs autonomes

• Détection d'incendie, mesures de pollution,• Mouvements des océans, etc• Etablissement spontané en réseau puis

communication directe ou par Internet

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A venir : coordination avec la route et les autres voitures

ABS

Tableau de bord

Contrôle moteur

Radio

Ambiancelumineuse

Supension

Boîte de vitesses

Stop&Go

Airbags

Direction

Climatisation

Détecteurde sommeil

Radar

Surveillance électrique

Péage automatique

GPS

Contrôle moteur

36

La photographie numérique :une révolution, pas une évolution !

37

Correction automatique de distorsion(DxO Optics Pro)

38

Plein de corrections ensemble !

39

40

Plein de corrections ensemble !

Imagerie médicale, astronomie, etc.

La cartographie numérique

Géographie, géologie, écologie, économie, etc.41

Les mathématiques ont une réussite insolente en physique

Eugene Wigner

• Observations avec toutes sortes d'instruments

• Modélisation par mise en équations

• Calcul humain à partir des équations

• Avec comme base le raisonnement logique

• Aidé par des tables, abaques, machines

• Et validation par l'observation

42

L'informatique aura une réussite encore plus insolente en sciences

• Observation par instruments numériques

• Modélisation par mise en calculs de toutes sortes

• Calcul automatique à très grande échelle

• Avec raisonnement logique à très grande échelle

• Très grandes statistiques

• Conduite d'expériences virtuelles

• Et validation par l'observation réelle

Possibilité décuplées, mais attention à leur validité !

43

• Avant la science : on fabrique, ça casse, on recommence

Science et technologie

• Avec la science classique : on fabrique, ça casse, on explique pourquoi (équations) on recommence (mieux)

44

• Climat (une seule expérience)• Big Bang (zéro expérience)• Tokamak (Iter)• Opérations chirurgicales• Avions• Circuits électroniques• …

La simulation est fondamentale- si on ne peut pas faire de maquettes

- si on ne veut pas du tout que ça casse- si on ne peut pas aller voir

45

Optimisation du bruit d'un réacteur

4646

Combustion H2 + O2

Analyse des turbulencesinaccessible classiquement

2,5 millions d'heures de calcul !

47

Explosion d'une supernova

48

Chimie du silicium à 10 000 degrés(torche à plasma)

49

Bactéries et protéines(géométrie, chimie, dynamique)

50

Source Nicholas Ayache, INRIA

solid mechanics

Clinical applications

Diagnosis

Therapy planning

blood flow

Cardiac data

Personalizationelectro-physiology

perfusion & metabolism

CardioSense3D

Cardiac modeling

anatomy

INRIA teams : Asclepios, Caiman, Macs, Reo, Sisyphe + Guy’s Hospital, NIH, Philips, Siemens, etc.

51

Fibres cardiaques

http://www.inria.fr/asclepios/software/MedINRIA

Source Nicholas Ayache, INRIA 52

Modèle électro-mécanique

Kc raideuru potentiel

d’actionεc déformationσc contrainte

Inspiré par le modèle Rhéologique de Hill-Maxwell

et le filament glissant de HuxleyModèle de Bestel-Clément-Sorine

nano

micro

méso

macro

ATP

sarcomères

fibres

organe

Matériau contractile non linéaire viscoélastique anisotrope et incompressible

Source Nicholas Ayache, INRIA 53

Simulation électro-mécanique

Source Nicholas Ayache, INRIA 54

Simulation avant/après chirurgie

MPa

Projet européen Health-e-Child (avec Siemens)

Source Nicholas Ayache, INRIA 55

Neurosciences: visualisation de la lecture

K. Marinkovic, A. Dale, E. HalgrenSource: S. Dehaene 56

=> génie logicien

Le théorème des 4 couleurs en CoQ

Preuve omise, évidente mais longue

• 1852Guthrie

• 1976Appel –Haken

Georges Gonthier

• 2005Gonthier(en CoQ)

57

• Le 20e siècle a été celui de l’énergie et du moteur

• Le 21e sera celui de l’information et du calcul– qu’il faut donc étudier à fond

• L’épidémie numériques gagne les sciences– mathématiques numériques G. Gonthier, E. Ghys, …– Physique numérique, cf L.I. Antoine Georges, 2009– Bioinformatique, informatique médicale– …

Conclusion

Faire ce qu’ on veut en étant aussi bête qu’un ordinateur demande beaucoup d’intelligence

58

Albert Robida, le téléphonoscopewww.robida.info

télé-enseignement (1893)59

60Le sac de Pékin présenté aux Parisiens

E-commerce dès 1893 !

61

Trinquer avec sa familleSuper-Skype !

62

Phono-opéragraphe = lecteur MP3 !

63

L'autobus culturel

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65

Même Robida a ses échecs…