Processeur Cell, Linux et 1 760 PS3 en réseau : comment l’US Air Force a bâti un supercalculateur de 500 TFLOPS pour 2 millions de dollars
Lorsque la PlayStation 3 débarque au Japon le 11 novembre 2006 puis en Amérique du Nord six jours plus tard, Sony ne commercialise pas seulement une console équipée d’un lecteur Blu-ray. Grâce à une fonction officielle baptisée OtherOS et à une subvention matérielle massive sur chaque machine produite, le constructeur japonais transforme accidentellement sa console de salon en l’ordinateur Linux à calcul parallèle le plus rentable de la planète, au point d’attirer les laboratoires universitaires et l’armée de l’air américaine.
Le processeur Cell Broadband Engine : une architecture de supercalculateur vendue à perte
Au cœur de cette anomalie industrielle se trouve le processeur Cell Broadband Engine, fruit d’un investissement conjoint de 400 millions de dollars sur quatre ans entre Sony, Toshiba et IBM (l’alliance STI) au centre de recherche d’Austin. Contrairement aux architectures x86 symétriques classiques de l’époque, la puce Cell repose sur une structure hétérogène radicale : un cœur principal 64 bits PPE (Power Processing Element) basé sur l’architecture PowerPC et cadencé à 3,2 GHz, entouré de huit coprocesseurs vectoriels SPE (Synergistic Processing Elements) dédiés au calcul intensif en virgule flottante.
Sur chaque PlayStation 3 sortie d’usine, sept de ces huit SPE sont activés afin d’optimiser les rendements de gravure en 90 nanomètres, tandis que l’un d’eux reste réservé à l’hyperviseur de sécurité du système. Même si cette complexité a donné des sueurs froides aux studios de développement jeu vidéo durant les premières années, elle offrait une puissance brute en simple précision inégalée pour le grand public. À sa sortie en novembre 2006, chaque modèle 20 Go (vendu 499 dollars) et 60 Go (vendu 599 dollars) coûtait plus de 800 dollars à fabriquer à Sony. En encaissant une perte sèche de plus de 200 dollars par châssis pour imposer le format Blu-ray et son processeur maison, la firme offrait involontairement aux chercheurs un nœud de calcul haute performance bradé sous son coût de revient industriel.
Sony PlayStation 3 Fat (Modèle Original CECH)
- Processeur Cell Broadband Engine 3,2 GHz (1 PPE + 7 SPE)
- 256 Mo de RAM XDR Rambus + GPU NVIDIA RSX
- Lecteur Blu-ray & support historique OtherOS (avant firmware 3.21)
OtherOS et Yellow Dog Linux : quand la PS3 se muait en station de travail
Dès le premier jour, un sous-menu niché dans les paramètres système de l'interface XrossMediaBar (XMB) permettait de partitionner le disque dur interne SATA de 2,5 pouces pour sélectionner l'option « Installer un autre système d'exploitation » (OtherOS). Cette ouverture assumée par Ken Kutaragi, le père de la PlayStation qui voyait la PS3 comme un véritable ordinateur domestique (tout en espérant convaincre les douanes européennes d'appliquer la fiscalité réduite des micro-ordinateurs plutôt que celle des consoles de jeux), permettait de démarrer nativement une distribution GNU/Linux compilée pour PowerPC 64 bits.
En partenariat officiel avec l'éditeur Terra Soft Solutions, qui développa la distribution dédiée Yellow Dog Linux 5.0 (rapidement rejointe par des moutures adaptées d'Ubuntu, Fedora et Debian), n'importe quel utilisateur pouvait brancher un clavier et une souris USB pour transformer sa console en poste de travail Linux complet. L'hyperviseur de Sony imposait toutefois deux verrous stricts : le système alternatif ne disposait que de 6 des 7 SPE du processeur Cell, devait se contenter des 256 Mo de mémoire principale XDR Rambus, et n'avait aucun accès direct à l'accélération matérielle 3D de la puce graphique NVIDIA RSX Reality Synthesizer. Malgré ce bridage graphique, la bande passante interne du bus EIB (Element Interconnect Bus) à plus de 200 Go/s faisait de la PS3 sous Linux une bête de calcul scientifique, une audace d'ingénierie qui rappelle les maquettes secrètes et prototypes exhumés des archives matérielles de PlayStation.
Du programme Folding@home aux 1 760 PS3 du supercalculateur Condor Cluster
Les scientifiques n'ont pas attendu longtemps pour exploiter cette aubaine tarifaire. Dès mars 2007, l'Université Stanford déploie le client officiel Folding@home sur PlayStation 3 pour simuler le repliement des protéines dans la recherche contre les maladies d'Alzheimer et de Parkinson. En quelques semaines, quelques dizaines de milliers de consoles connectées dépassent la puissance cumulée de centaines de milliers de processeurs PC classiques, faisant franchir au réseau le cap historique du pétaflop (un million de milliards d'opérations par seconde) dès septembre 2007. Dans le même temps, des astrophysiciens comme Gaurav Khanna à l'Université du Massachusetts assemblent des grappes de huit à seize PS3 sous Linux pour modéliser les ondes gravitationnelles émises par la collision de trous noirs.
Mais le projet le plus spectaculaire voit le jour sur la base aérienne de Rome, dans l'État de New York. Sous la direction de Mark Barnell, responsable du calcul haute performance au sein de l'US Air Force Research Laboratory (AFRL), l'armée américaine teste dès 2008 une première grappe de 336 consoles avant d'inaugurer officiellement, en décembre 2010, le fameux Condor Cluster. Ce supercalculateur militaire relie en réseau 1 760 PlayStation 3 « Fat » associées à 84 serveurs bi-processeurs Intel Xeon et 168 cartes graphiques NVIDIA.
Les chiffres du Condor Cluster donnent le tournis : avec une puissance de crête de 500 TFLOPS (500 000 milliards d'opérations par seconde), l'installation se hisse directement au 33e rang des supercalculateurs les plus puissants du monde et devient le calculateur interactif le plus rapide de tout le Département de la Défense américain. Utilisé pour analyser des images radar à synthèse d'ouverture (SAR) à la cadence de 15 milliards de pixels par minute ainsi que pour des recherches en intelligence artificielle neuromorphique, l'ensemble n'a coûté que 2 millions de dollars à l'US Air Force, soit à peine 5 à 10 % du coût d'un supercalculateur traditionnel équivalent et seulement 10 % de sa consommation électrique.
Firmware 3.21 et recours collectif à 3,75 millions de dollars : la fin brutale d'une époque
Cette parenthèse dorée se referme en deux temps. En septembre 2009, Sony commercialise la PS3 Slim (CECH-2000) en supprimant le support d'OtherOS sur ce nouveau châssis, obligeant d'ailleurs l'US Air Force à acheter en urgence des stocks de modèles Fat 160 Go avant leur disparition des entrepôts. Puis, en janvier 2010, le chercheur en sécurité George Hotz (GeoHot) publie un exploit matériel et logiciel permettant de contourner l'hyperviseur via la couche OtherOS. La réaction de Sony tombe tel un couperet le 1er avril 2010 avec le déploiement du firmware 3.21.
Présentée comme facultative, cette mise à jour système effaçait définitivement la fonction OtherOS des PlayStation 3 Fat déjà vendues. Les propriétaires souhaitant conserver leur partition Linux se voyaient bannis du PlayStation Network, privés du jeu en ligne et dans l'impossibilité de lancer les nouveaux jeux ou films Blu-ray exigeant le firmware 3.21. Pour les laboratoires de recherche et l'US Air Force, la mesure signifiait aussi que toute console tombée en panne et envoyée en réparation chez Sony revenait mise à jour, donc inutilisable au sein du cluster. Cette suppression rétroactive d'une fonctionnalité mise en avant lors de l'achat a déclenché une bataille judiciaire fédérale de huit ans aux États-Unis (In re Sony PS3 « Other OS » Litigation), soldée entre 2016 et 2018 par un fonds d'indemnisation de 3,75 millions de dollars accordant jusqu'à 65 dollars de dédommagement par utilisateur ayant prouvé son usage de Linux.
L'œil de la stratège
À l'heure où l'industrie suit de près la préparation de la future PlayStation 6 et le verrouillage des stocks de mémoire vive, je garde une vraie nostalgie technique pour l'audace démesurée du processeur Cell de 2006. Avoir permis à un particulier, un étudiant en astrophysique ou un ingénieur de la défense d'acheter un nœud de calcul vectoriel 64 bits sous Linux au rayon jeux vidéo pour moins de 600 dollars reste une anomalie unique dans l'histoire du matériel informatique. Depuis le traumatisme sécuritaire de 2010, les consoles ont adopté des architectures x86 ultra-verrouillées proches du PC mais totalement hermétiques : jamais plus un constructeur ne laissera un utilisateur installer librement son propre noyau Linux depuis le menu officiel de sa machine. Nous n'avons pas encore eu ce matériel entre les mains à la rédaction : si le constructeur souhaite nous confier un exemplaire de test pour le passer sur notre protocole complet en conditions réelles, notre banc d'essai lui est grand ouvert.
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Née et installée à Montréal, dans le quartier du Mile End, Maëlle « Kaelen » s'est liée d'amitié avec Chaya sur les bancs de l'université lors de leurs études d'ingénierie logicielle, partageant les mêmes nuits blanches entre projets de code, LAN étudiantes et raids sur World of Warcraft aux côtés de Grimtag et Heimdall. Consultante en équilibrage de systèmes de jeu et passionnée de theorycrafting, elle a fait ses armes dès le début des années 2010 en rédigeant des guides stratégiques, des analyses de frame data et des décryptages de méta pour plusieurs portails francophones de MMORPG et d'esport, dont Mondes Persistants, ainsi que pour des collections nord-américaines de guides officiels. Sur Pro-Gamer, elle pilote les guides complets, l'optimisation de builds et le suivi tactique des circuits compétitifs.
