TECHNOLOGIES CLÉS 2010 (novembre 2006)

Technologies de l’information et de la communication

15. Modélisation, simulation, calcul

Description

Le monde industriel cherche de plus en plus à représenter le réel pour concevoir des outils ou produits adaptés à une fonction donnée en diminuant les délais de mise au point et les coûts de prototypage. Dans ce but, il est de plus en plus fait appel à la modélisation des phénomènes ou à la simulation numérique qui en découle. On parle souvent de prototypage virtuel pour désigner cette étape de première validation numérique.

Un des verrous majeurs à lever à l'heure actuelle consiste à aller de plus en plus finement dans la modélisation et la simulation des objets ou processus. Notamment, les changements d'échelle des objets manufacturés, qui atteignent maintenant des grandeurs caractéristiques de l'ordre du nanomètre, font apparaître, au cours de leur conception et dans leur fonctionnement, des phénomènes microscopiques pour lesquels les modèles macroscopiques utilisés jusqu'alors ne sont plus pertinents. De même, la conception d'un objet quelconque fait de plus en plus appel à des disciplines variées. Le deuxième défi à relever consiste donc à faire coopérer les différentes disciplines de l'ingénieur lors de modélisations mettant en jeu des univers différents. Il s'agira, par exemple, d'approche multiphysiques, multimatériaux ou multiéchelles, de raisonnement sur des éléments incomplets ou encore de la prise en compte de contraintes issues d'univers de référence différents.

Les problématiques sont identiques pour ce qui concerne la modélisation des processus naturels et de leurs interactions avec les activités humaines, de l'échelle globale, la terre, à celle de la rue ou de l'appartement.

Outre la validité des modèles utilisés, la qualité de la simulation est également tributaire d'un recalage permanent des modèles sur la réalité observée. Ainsi, la modélisation et la simulation sont fortement liées à des problématiques de mesure et d'acquisition de données réelles.

Par ailleurs, les outils de simulation se situent, de plus en plus, dans un environnement de partage de l'information (Méthodes et outils de coconception).

La simulation de phénomènes impliquant un grand nombre de données, faisant appel à des physiques différentes (mécanique des fluides, thermique, etc.) impose l'intégration de différents logiciels. En termes informatiques, cela se traduit par la nécessité de coupler les codes, technologie encore maîtrisée trop faiblement. Les calculs requis sont, par ailleurs, extrêmement intensifs et imposent l'accès à des serveurs puissants, des grilles de calculs ou des clusters.

Enjeux, Impact

Le besoin en simulation de plus en plus poussée est porté par un contexte international de concurrence accrue, avec l'arrivée de nouveaux acteurs sur les marchés (Chine, Inde, etc.) et l'amélioration continue de la productivité des industries, rendant nécessaires des diminutions importantes des coûts de conception des nouveaux objets et processus industriels. Il est en effet moins coûteux de décrire le produit ou le processus aux moyens de systèmes informatiques que de les construire pour affiner leur conception. On converge alors plus rapidement et à moindre coût vers plus de qualité.

L'usage de ces techniques a tendance à se diffuser largement dans les entreprises industrielles, notamment au sein des PMI par le biais de projets coopératifs tels que « Salome » [1] qui fournit des éléments en logiciels libres pour la liaison CAO-calcul. L'externalisation de certaines tâches de conception des constructeurs (automobile et aéronautique notamment) vers des sous-traitants de rang un accélère l'appropriation de ces techniques et facilite l'interopérabilité entre les systèmes d'information de ces acteurs.

Le développement des approches de modélisation et de simulation représente un enjeu majeur dans le domaine des sciences du vivant. En effet, le domaine biomédical a dû acquérir, classer et stocker la masse des données disponibles issues du séquençage, avec une prise en compte des problèmes qui se posent pour aller du gène à la formation de la protéine, à son contrôle et à sa signification physiologique et physiopathologique (protéomique et génomique fonctionnelle à grande échelle). Il s'agit maintenant d'analyser ces données hétérogènes, d'identifier les évèéements significatifs et de les interpréter, en utilisant les techniques de modélisation et de simulation. L'objectif est de développer des modèles mathématiques destinés à simuler des schémas simples et de les confronter aux résultats expérimentaux obtenus par un dialogue continu entre biologistes, mathématiciens et informaticiens. Ces approches constituent une démarche globale pluridisciplinaire, nécessitant une collaboration permanente de biologistes, chimistes, physiciens, médecins, informaticiens et mathématiciens. Elles permettent d'intégrer des données de différentes sources afin de créer un modèle théorique fidèle aux propriétés et comportement du système.

Dans ce contexte, le LEEM (Les entreprises du médicament) a récemment affiché le maillage des différentes expertises biologiques, cliniques et d'ingénieur comme un enjeu clé. En complément de ce maillage d'expertise en R&D, il est nécessaire de renforcer certaines compétences « traditionnelles » de l'industrie du médicament, notamment en matière de biostatistiques et mathématiques.

La modélisation est également un enjeu important en matière de prévisions météorologiques, climatiques ou environnementales. Elle concerne :

• la prévision immédiate (jusqu'à 6 heures), à courte échéance (jusqu'à deux ou trois jours d'échéance) ou saisonnière (de un mois à un an d'échéance) ;
• la prévision d'ensemble basée sur des mono et multimodèles à issues d'une dizaine de centres de prévision, les plus performants dans le monde ;
• la prévision du climat (changement climatique sur quelques siècles) et de l'environnement urbain (pollution).

L'amélioration de la prévision à ces échéances est largement conditionnée par l'accès à de supercalculateurs et la prise en compte de phénomènes physiques, chimiques et biologiques (végétation), d'échelle de plus en plus fine.

Marché

Les approches de modélisation sont largement utilisées dans de nombreux secteurs industriels, par exemple l'aéronautique, le nucléaire, etc. On les rencontre également dans l'industrie pharmaceutique et la santé en général (médecine moléculaire et cellulaire, cancer, infection, système nerveux central  ...), avec le diagnostic, le pronostic, le suivi, la thérapeutique ; mais aussi l'agronomie, la sécurité alimentaire, la cosmétique.

Le marché mondial des seuls logiciels de simulation (sans compter les matériels, intergiciels de grille, etc.) est estimé en 2005 à 2,35 Md$, et devrait atteindre 4Md$ en 2010. La simulation et le prototypage représentent, en 2005, le quart des dépenses liées à la gestion du cycle de vie des produits.

Acteurs

Disciplines scientifiques : à travers les applications potentielles de cette technologie, l'ensemble des disciplines scientifiques est concerné.

Compétences technologiques : informatique, analyse, mesure et contrôle.

Pôles de compétitivité : Plasturgie (Rhône-Alpes et Franche-Comté) ; EMC2 (Pays de la Loire) ; Viameca (Interrégional) ; Vestapolis (Île-de-France) ; Sports et loisirs (Rhône-Alpes) ; System@tic (Île de France) ; Véhicule du futur (Alsace, Franche-Comté) ; Minalogic (Rhône-Alpes) ; Aéronautique et espace (Aquitaine, Midi-Pyrénées) ; Biothérapies (Pays de Loire) ; Industries et agroressources (Champagne-Ardenne, Picardie) ; Cosmetic Valley (Centre, Île-de-France, Haute-Normandie) ; Meditech Santé (Île-de-France) ; Gestion des risques et vulnérabilités des territoires (Paca, Languedoc-Roussillon).

Liens avec (technologies) : thérapie cellulaire ; protéomique ; génomique fonctionnelle à grande échelle ; techniques de criblage et de synthèse à haut débit ; stockage de l'information numérique ; composants logiciels ; acquisition et traitement de données ; réalité virtuelle, augmentée, 3D ; méthodes et outils de coconception ; ingénierie des systèmes complexes ; microtechnologies pour l'intensification des procédés.

Principaux acteurs français :

Centres de compétences : Inria, CEA, CSTB, Cetim, CNRS, Inserma, Cirad, Inra, École centrale Paris, Agro Paris, Agro Montpellier, Université d'Orsay, LEEM pour les sciences du vivant, Météo France.

Industriels : Dassault Systèmes, Esi Group, Mecalog, Open Cascade, Optis, Prosim, Dolphin Intégration, Gridxpert, Distene, Sitia, Arvalis, Bionatics, CGB, ITB, Itelios pour les sciences du vivant, Météorage pour les services de prédiction de la foudre.

Exemples d'acteurs dans le monde : MSC Software (États-Unis), Abaqus (États-Unis, Dassault), Altair (États-Unis), Ansoft (États-Unis), Fluent (États-Unis), Flowmaster (Royaume-Uni), CD-Adapco (Royaume-Uni), Comsol (Suède), Transoft (États-Unis), LMS (Belgique), Maplesoft (Canada), The Mathworks (États-Unis), MoldFlow (États-Unis), Numeca (Belgique) ...

Commentaires

En 2001, la simulation et la modélisation multiéchelle des microstructures et des lois de comportement des matériaux ont été défini comme thèmes prioritaires de développement par le Comité de coordination des matériaux (Cocomat).

Le projet RNTL « Salome » rassemble 22 partenaires représentant la plupart des sciences de l'ingénieur, afin de mettre au point, en logiciel libre, une plate-forme permettant de faire coopérer des codes de calcul différents et de les relier, en amont vers les systèmes de CAO et en aval vers les systèmes de navigation dans les univers des résultats.

Il existe un réseau d'excellence financé par l'Union européenne, « BioSim » (pour biosimulation). L'objectif de ce réseau est de développer des modèles de simulation pour le développement et la sélection de médicaments (www.futura-sciences.com/news-biosimulation-nouvel-outil-developpement-médicaments_7214.php).

Le projet Aladin regroupe la communauté météorologique française et celle d'une vingtaine de pays d'Europe centrale et orientale et du Maghreb.

Note

[1] Le projet Salome vise à améliorer la diffusion des logiciels de simulation numérique développés en France.

© Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie,
Direction Générale des Entreprises, 12/2006