pourquoi et comment le monde et les sciences … · explosion d'une supernova 48. chimie du...
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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
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Autrefois : dépendance information / support
Quel beau texte!Quelles belleséquations!
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Maintenant : indépendance et convergence
0110011011110110010011101100
Quel beau texte!Quelles belleséquations!
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... sans abandon exagéré
0110011011110110010011101100
6
... et avec améliorations
0110011011110110010011101100
7
133
192
57
14427
-7322
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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, …
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Al Khuwārizmī~ 783 - 850
algorithmealgèbre
Source Maurice Nivat
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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
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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
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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
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Le crible de Darwin : p, kp → p
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7
28
4
7
7
7
2
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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
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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
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La révolution du microprocesseur
Rapidité, exactitude, stupidité
coeur 1
coeur 2
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Source Micron
Source ASML
Source Photronics : réticule
Source Intel
Source AMAT
Source ASML 20
La loi de Moore
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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
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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....
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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
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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;
}}
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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
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Rapidité
Exactitude
Stupidité
Maîtrise ?
Modèles de calcul
Sans la main => sans la pensée !
Intuition
RigueurRigueurRigueurRigueurLenteur
Calculer sur le calcul
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28
TDGGTDTDGDDTGDGTTDGGTDTTGTDTGDGT
TDGGTDTTGDDTGDGT
Interblocage (deadlock)
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Famine (starvation)
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13:0613:0312:57
Le ski au 20e siècle
13:00
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Le ski au 20 e siècle, avec protocole
13:0613:0312:5713:00
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Le ski au 21e siècle
On peut même prévenir d’avance qu’on sera en retard !
13:0613:0312:5713:00
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La téléphonie numérique
numérique
analogique
sans fil,abolition du lien spatial
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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
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La photographie numérique :une révolution, pas une évolution !
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Correction automatique de distorsion(DxO Optics Pro)
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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
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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 !
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• 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)
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• 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
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Optimisation du bruit d'un réacteur
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Combustion H2 + O2
Analyse des turbulencesinaccessible classiquement
2,5 millions d'heures de calcul !
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Explosion d'une supernova
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Chimie du silicium à 10 000 degrés(torche à plasma)
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Bactéries et protéines(géométrie, chimie, dynamique)
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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.
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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)
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• 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
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Albert Robida, le téléphonoscopewww.robida.info
télé-enseignement (1893)59
60Le sac de Pékin présenté aux Parisiens
E-commerce dès 1893 !
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Trinquer avec sa familleSuper-Skype !
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Phono-opéragraphe = lecteur MP3 !
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L'autobus culturel
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Même Robida a ses échecs…