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Météo-France

22 septembre 2021 : Météo-France ( rapport d'information )

II. POUR TENIR SON RANG, MÉTÉO-FRANCE DOIT POUVOIR JOUER LES PREMIERS RÔLES EN MATIÈRE D'INNOVATION

A. ALORS QUE MÉTÉO-FRANCE VIENT DE METTRE EN SERVICE SES NOUVEAUX SUPERCALCULATEURS, UN NOUVEL INVESTISSEMENT DOIT DÉJÀ ÊTRE ENVISAGÉ

1. Le plan « Calcul 2020 » a permis à Météo-France de multiplier par plus de 5 sa puissance de calcul
a) La capacité de calcul intensif de Météo-France est répartie en deux machines pour assurer la continuité de ses services

La puissance de calcul intensif de Météo-France est scindée en deux machines installées sur deux sites distincts. Un supercalculateur est dédié aux activités opérationnelles78(*) tandis que le second est habituellement utilisé pour les besoins de la recherche79(*). Cette organisation permet d'assurer la résilience et la continuité des services de l'établissement dans la mesure où en cas de dysfonctionnement sur le premier supercalculateur, la machine consacrée à la recherche est susceptible de prendre le relai.

Environ 60 % des moyens de calcul de Météo-France sont exploités au service des modèles de PNT, tant pour des tâches opérationnelles que de recherche. La recherche sur le climat consomme près d'un tiers des capacités de calcul tandis que les 10 % de moyens résiduels sont utilisés par des partenaires80(*).

Répartition de l'exploitation des capacités de calcul intensif
de Météo-France

Source : commission des finances du Sénat d'après les réponses de Météo-France au questionnaire du rapporteur spécial

b) Le projet « Calcul 2020 » a abouti en février 2021

Le projet « Calcul 2020 » affichait l'objectif de multiplier par cinq la puissance de calcul à disposition de Météo-France. Débutée à la fin de l'année 2017, la procédure de dialogue compétitif a pris fin au printemps 2019. Cinq candidats ont été mis en concurrence et la solution proposée par la société ATOS a été retenue. Les marchés des travaux d'infrastructure et de renouvellement du système de stockage ont été notifiés en 2019.

Le calendrier d'installation et de mise en production des nouvelles capacités de calcul intensif de l'opérateur a souffert quelques retards. Les deux nouveaux supercalculateurs ont été mis à disposition des utilisateurs en 202081(*) et la bascule de la production opérationnelle sur ces deux nouvelles machines a eu lieu en février 2021.

En pratique, les objectifs d'augmentation de la puissance de calcul de l'établissement ont été plus que remplis puisque celle-ci a été multipliée par 5,5.

c) Les conditions de financement du projet au-delà de l'exercice 2022 devront être précisées

Le coût total du projet « Calcul 2020 » atteint 144 millions d'euros sur la période 2019-2025. Il inclut le paiement de la redevance pour les supercalculateurs, le coût de leur consommation électrique, ainsi que les dépenses connexes nécessaires au fonctionnement et à l'exploitation des données produites82(*).

Entre 2019 et 2022, le financement des dépenses de calcul intensif aura été principalement assuré, à 54 %, par le socle des dépenses informatiques de l'opérateur (à hauteur de 12,5 millions d'euros par an), à 12 % par des financements qui ont été prévus par la loi de programmation des finances publiques (LPFP) 2018-202283(*), à 5 % par un prélèvement sur le fonds de roulement de l'établissement réalisé en 2019 (pour 5,2 millions d'euros) et enfin, à 29 % par une subvention dédiée, hors SCSP, qui trouve sa source dans le contrat budgétaire 2019-2022 de l'établissement.

Il est à noter que jusqu'au début de l'année 2021, les dépenses de calcul à financer portaient à la fois sur les anciennes machines et les nouveaux supercalculateurs en cours d'installation.

Dépenses liées aux capacités de calcul de l'établissement entre 2019 et 2025
au titre des anciens et nouveaux supercalculateurs

(en millions d'euros)

Source : commission des finances du Sénat d'après les réponses de Météo-France au questionnaire du rapporteur spécial

La subvention complémentaire prévue dans le contrat budgétaire et distincte de la SCSP s'explique par les arbitrages liés à l'accroissement de la puissance de calcul qui ont été pris postérieurement à la LPFP84(*).

Modalités de financement du projet Calcul 2020 de 2019 à 2022

(en millions d'euros)

Source : commission des finances du Sénat d'après les réponses de Météo-France au questionnaire du rapporteur spécial

Détail de la chronique des attributions de la subvention prévue au contrat budgétaire, versée hors SCSP et dédiée à contribuer au financement
des dépenses liées aux nouveaux supercalculateurs

(en millions d'euros)

2019

2020

2021

2022

Total

4,9

7,7

8,3

6,1

27

Source : contrat budgétaire

Les financements prévus jusqu'en 2022, les seuls pour lesquels l'établissement bénéficie d'une visibilité budgétaire, ne couvrent que 56 % des coûts liés aux nouveaux supercalculateurs sur l'ensemble de la période du marché. D'après les données fournies par l'établissement, environ 62 millions d'euros resteront à financer sur les exercices 2023 à 202585(*).

Les dépenses récurrentes liées aux nouveaux supercalculateurs s'élèvent en moyenne à environ 23 millions d'euros par an86(*). Pour couvrir les dépenses liées à l'exploitation des nouveaux supercalculateurs l'opérateur évalue le montant des subventions nécessaires à 18,8 millions d'euros en 2023, 9,8 millions d'euros en 2024 et 5 millions d'euros en 2025, soit un total de près de plus de 33 millions d'euros.

Afin d'éviter tout effet d'éviction sur les dépenses d'investissements « hors calcul » de l'opérateur, il est essentiel que l'État sécurise l'attribution de financements suffisants jusqu'au terme du marché avec ATOS en 2024 et pour les premiers mois de l'année 2025 pendant lesquels le système actuel devrait cohabiter avec les éventuelles nouvelles machines.

Actuellement, la subvention dédiée prévue au contrat budgétaire est distincte de la SCSP. Dans la mesure où il s'agit d'une dotation récurrente, à compter de 2023, il pourrait être envisagé d'intégrer à la SCSP la totalité des financements liés aux supercalculateurs. Cette procédure avait été adoptée lors du précédent renouvellement des capacités de calcul de Météo-France.

Recommandation n° 19 : Garantir des dotations suffisantes pour couvrir les dépenses au titre du projet « Calcul 2020 » afin d'éviter tout effet d'éviction sur les autres dépenses d'investissement.

Recommandation n° 20 : Pérenniser la subvention récurrente versée au titre des supercalculateurs éventuellement en l'intégrant à une subvention pour charges de service public (SCSP) rebasée.

2. L'accroissement de la puissance de calcul : des applications opérationnelles concrètes pour affiner les prévisions de phénomènes météorologiques dangereux

En 2016, le commissariat général à l'investissement (CGI), devenu secrétariat général pour l'investissement (SGPI) a procédé à la contre-expertise du projet d'augmentation de la puissance de calcul de Météo-France et confirmé que les bénéfices socio-économiques générés devraient atteindre quatorze fois son coût.

Grâce à l'augmentation de ses capacités de calcul, Météo-France va pouvoir affiner son système de prévision dans le temps comme dans l'espace. Météo-France pourra ainsi disposer d'un système de prévision d'ensemble régionale avec une résolution de 1,3 km en métropole et 2,5 km en outre-mer87(*). La résolution du modèle régional AROME sera même portée à 500 m pour les zones à fort enjeu. Cette application de la puissance de calcul est absolument déterminante pour parvenir à développer et améliorer la qualité des prévisions infra-départementales et des phénomènes météorologiques extrêmes localisés.

L'augmentation de la puissance de calcul va aussi permettre d'enrichir les modèles de PNT de l'opérateur qui vont pouvoir assimiler des volumes de données d'observation nettement plus importants.

La généralisation de la prévision d'ensemble, plus complète, plus précise et permettant de confronter la probabilité d'occurrence de plusieurs scénarios, promet d'être très consommatrice en puissance de calcul. La prévision s'ensemble doit permettre de mieux anticiper les phénomènes météorologiques et notamment les plus à risques.

L'étude du changement climatique et de ses conséquences consomme également d'importants moyens de calcul intensif, en particulier pour réaliser des simulations climatiques à l'échelle globale pour participer aux études du GIEC.

Par ailleurs, indispensable pour développer l'usage de nouvelles technologies telles que l'intelligence artificielle (IA), l'extension de la puissance de calcul de Météo-France offre également à l'opérateur de nouvelles opportunités d'automatisations ainsi que des perspectives dans le domaine de la recherche.

3. La course à la puissance de calcul redouble d'intensité

Le positionnement international de Météo-France pourrait être remis en cause à moyen terme par les investissements en calcul intensifs annoncés par certains de ses homologues.

L'annonce la plus retentissante est venue d'outre-Manche. Le Royaume-Uni, soucieux de réaffirmer son indépendance après le Brexit et désireux de rester à la pointe de la météorologie mondiale doit dépenser 1,2 milliards de livres, soit 1,4 milliard d'euros entre 2022 et 2032 pour remplacer le supercalculateur du MetOffice et multiplier sa puissance par un facteur 18 d'ici 2028. Le SMN allemand (le DWD) a également renouvelé sa capacité de calcul intensif en 2020 et celle-ci va s'accroître jusqu'en 2024. Le CEPMMT a également investi dans une nouvelle infrastructure qui doit porter sa puissance de calcul à 36,8 pétaflops (Pflops) en 2021.

Si jusqu'à aujourd'hui Météo-France a tenu son rang au niveau international en développant une infrastructure de calcul très compétitive, la montée en puissance de certains de ses homologues dans les années à venir va poser un défi majeur à l'opérateur français. Le MetOffice britannique a placé la barre très haute à l'horizon 2028 et d'ici 2024 les capacités de calcul intensif de Météo-France auront été largement dépassées par ses principaux homologues. Pour que le SMN français conserve son rang aux niveaux européen et international, un nouvel investissement dans la puissance de ses supercalculateurs sera nécessaire.

Évolution prévue de la puissance de calcul des SMN français, allemand et britannique et du CEPMMT entre 2020 et 2028

(en Pflops)

Source : commission des finances du Sénat d'après les réponses de Météo-France au questionnaire du rapporteur spécial

4. Météo-France doit déjà se projeter dans une nouvelle étape de l'accroissement de sa puissance de calcul
a) Le coût du prochain renouvellement des moyens de calcul intensif de Météo-France pourrait avoisiner les 300 millions d'euros

Alors même que les nouveaux supercalculateurs n'étaient pas encore pleinement opérationnels, Météo-France avait d'ores et déjà engagé une réflexion avec ses tutelles sur les besoins de renouvellement de sa capacité de calcul intensif à horizon 2025. Cette anticipation est indispensable tant le rythme de développement de la puissance de calcul dans l'écosystème de la météorologie s'accélère.

À ce stade, Météo-France envisage une multiplication par six de sa puissance de calcul actuelle, ce qui pourrait la porter à 120 Pflops, de quoi disposer d'un des supercalculateurs les plus performants au monde.

Les coûts liés aux nouvelles générations de supercalculateurs, développés en architecture GPU88(*), sont majorés89(*). Aussi, le coût de renouvellement des nouvelles générations de supercalculateurs pourrait être doublé. Une multiplication par six de la puissance de calcul actuelle de Météo-France pourrait ainsi nécessiter de l'ordre de 300 millions d'euros de dépenses.

b) Une nouvelle multiplication par six de la puissance de calcul de Météo-France pourrait générer 1,4 milliards d'euros de bénéfices socio-économiques et permettre un saut qualitatif décisif dans la prévision

Une étude de la société Citizing de septembre 2021 portant sur « l'évaluation socioéconomique du renouvellement des supercalculateurs de Météo-France en 2025 » estime qu'une nouvelle multiplication par six de la puissance de calcul pourrait générer des gains socio-économiques de l'ordre de 1,4 milliards d'euros pour une valeur actuelle nette d'environ 1,1 milliards d'euros, soit un retour sur investissement proche de cinq euros pour un euro investi.

D'après Météo-France, une multiplication par six de sa puissance de calcul actuelle permettrait d'atteindre un saut qualitatif décisif dans la prévision des phénomènes méto à risque avec des échéances de prévision à quatre jours, une modélisation des orages beaucoup plus précise aux échéances de deux à quatre jours, une amélioration d'environ 10 % des prévisions de rafales et de précipitations ou encore une augmentation de près de 20 % du nombre de vigilances rouge ou orange détectées au moins six heures avant leur occurrence. Les avertissements automatiques de phénomènes pluvieux intenses (APIC) dont on ne cesse malheureusement de constater à quel point ils sont déterminants pour protéger les populations et sauver des vies, seraient enrichis90(*). L'anticipation des phénomènes météorologiques extrêmes et localisés pourrait ainsi être nettement améliorée.

La qualité des services rendus à la navigation aérienne pourrait également être nettement améliorée. Un saut qualitatif significatif dans les prévisions immédiates91(*) est à attendre. Des phénomènes spécifiques tels que la formation de cristaux de glace en altitude ou le risque de cisaillement de vent pourraient être mieux appréhendés. Les bénéfices retirés par la navigation aérienne de cette qualité de services accrue pourraient être valorisés dans le cadre d'une réévaluation de la redevance annuelle versée par la DGAC qui pourrait ainsi contribuer au financement du développement des capacités de calcul de Météo-France.

Le soutien de Météo-France aux forces armées s'en trouvera également amélioré92(*) et le ministère des armées pourrait aussi contribuer au renouvellement de la puissance de calcul de l'établissement.

Les services climatiques de l'établissement et en particulier les nouvelles prestations dédiées aux enjeux de l'adaptation locale aux dérèglements climatiques pourraient aussi être significativement enrichis si de nouveaux moyens de calculs y étaient affectés.

De nombreux secteurs de l'économie française et de nombreuses politiques publiques seront bénéficiaires d'un accroissement des capacités de calcul intensif de Météo-France. Sur la base de l'expertise portant sur les bénéfices socio-économiques de cet investissement, il serait pertinent d'étudier la perspective d'une contribution financière de chacun de ces secteurs au coût du projet. Cette piste de financement fait notamment partie des hypothèses explorées par le CGDD.

Recommandation n° 21 : Sur la base d'une expertise des bénéfices socio-économiques d'un nouvel accroissement de la puissance de calcul de Météo-France à horizon 2025, explorer un modèle de financement du projet partagé entre les différents secteurs et ministères bénéficiaires.

c) Toutes les perspectives de mutualisations doivent continuer d'être explorées

Pour optimiser l'usage des fonds publics qui seront consacrés à ce projet, il convient d'explorer toutes les pistes de mutualisation possibles, en France comme avec des partenaires étrangers.

Dans cette perspective, le commissariat général au développement durable (CGDD), tutelle de Météo-France, a demandé à l'opérateur d'étudier toutes les hypothèses de mutualisations possibles.

Les gains d'efficience susceptibles d'être générés par une mutualisation de l'investissement dans un supercalculateur pourraient résulter d'un usage partagé des volumes de calcul mais aussi, et la piste est probablement plus prometteuse, d'économies dans les dépenses d'équipement.

Les études mesurant les gains d'efficience potentiels des projets de mutualisation sont complexes dans la mesure où il convient de tenir compte de l'ensemble de l'infrastructure informatique qui gravite autour des supercalculateurs et qui permet notamment de faire circuler et de stocker les données produites. La mutualisation de l'usage d'un supercalculateur pourrait par exemple entraîner une augmentation des besoins de transferts de flux de données et nécessiter des investissements complémentaires dans des infrastructures de connexion susceptibles de réduire les bénéfices nets de l'opération.

Météo-France a creusé plusieurs pistes. Au niveau national, un partenariat avec le grand équipement national de calcul intensif (GENCI) a été expertisé. Ce dernier était particulièrement intéressé par une participation financière de Météo-France à son projet de machine exaflopique93(*). Le degré de maturité du projet ne semble pas correspondre, aujourd'hui aux besoins de Météo-France.

Le grand équipement national de calcul intensif (GENCI)

Créé en 2007, GENCI a pour mission de démocratiser l'usage de la simulation numérique par le calcul haute performance associé à l'usage de l'intelligence artificielle, pour soutenir la compétitivité scientifique et industrielle française.

GENCI est une société civile détenue à 49 % par l'État représenté par le ministère en charge de l'Enseignement supérieur et la Recherche, 20 % par le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), 20 % par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS), 10 % par les Universités représentées par la Conférence des Présidents d'Université et 1 % par l'Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique (INRIA).

GENCI répond à trois missions :

- mettre en oeuvre la stratégie nationale d'équipement en moyens de calcul à haute performance et de traitement/stockage de données massives au bénéfice de la recherche scientifique française en lien avec les trois centres nationaux de calcul de ses Associés ;

- participer et soutenir pro-activement la réalisation d'un écosystème intégré du calcul à haute performance associé à l'intelligence artificielle à l'échelle européenne ;

- promouvoir la simulation numérique par le calcul intensif auprès de la recherche ouverte académique et industrielle.

GENCI dispose d'un budget annuel de 39 millions d'euros.

Source : site internet du GENCI

Météo-France a aussi exploré les possibilités de mutualisation avec le CEPMMT ou d'autres SMN européens. La piste d'un partenariat avec le CEPMMT apparaît à première vue intéressante dans la mesure où celui-ci partage le même type de modèle et le même code de calcul. Aussi, il semble pertinent de poursuivre l'étude des possibilités d'un partage des ressources de calcul, notamment pour les besoins de la recherche.

Le MetOffice britannique, qui a déjà programmé son propre plan et le DWD allemand ne sont pas des candidats potentiels dans la mesure où ils n'utilisent pas les mêmes types de modèles et de codes de calcul que Météo-France. Aussi, Météo-France explore la piste d'une coopération avec des SMN appartenant au consortium ACCORD. Elle a notamment étudié l'hypothèse d'un partenariat avec l'agence espagnole de météorologie94(*).

Pour ses missions opérationnelles, Météo-France a besoin d'utiliser de gros volumes de calcul qu'il apparaît difficile de partager avec un homologue dont les propres besoins de calcul sont eux-mêmes significatifs. Des hypothèses de partenariats avec des SMN plus modestes, moins gourmands en volume de calcul intensif pourraient être plus prometteuses.

Météo-France a aussi exploré l'hypothèse d'un partage de ses moyens de calcul destinés à la recherche et aux simulations climatiques. Les perspectives paraissent plus intéressantes. Il est d'ailleurs à noter que l'établissement mutualise déjà 10 % de ses capacités de calcul avec des partenaires. Toutefois, une limite à cette perspective tient au fait que pour assurer le transfert des progrès de la recherche, il importe que les supercalculateurs et les modèles dédiés aux missions opérationnelles et à la recherche soient identiques.

En s'appuyant sur ces premières études et en veillant à prendre en compte l'ensemble des paramètres, il est nécessaire que Météo-France poursuivent ses expertises en lien avec sa tutelle.

Recommandation n° 22 : Dans la perspective d'une augmentation de la puissance de calcul, même si les options de mutualisations étudiées présentent des limites, poursuivre cette exploration dans le but de diminuer le coût de l'investissement.

d) Des enjeux connexes avec des perspectives de mutualisation

En matière d'exploitation des capacités de calcul intensif, l'architecture GPU permet de réaliser des gains d'efficacité et de performance énergétique. Néanmoins, la réécriture des codes numériques des modèles de PNT qu'elle suppose implique des investissements significatifs et mobiliserait, d'après l'opérateur, vingt à trente personnes par an. Certains de ses homologues tels que le CEPMMT, le MetOffice, le DWD ou encore le MetSuisse sont déjà en capacités de consacrer davantage de moyens que Météo-France sur cet enjeu majeur des années à venir.

Des perspectives de mutualisation existent au niveau européen et notamment dans le cadre du consortium ACCORD piloté par Météo-France. Il est nécessaire de les faire fructifier pour optimiser l'adaptation des codes.

Par ailleurs, le développement de la puissance de calcul suppose aussi des investissements conséquents dans les capacités de stockage informatiques qui, eux aussi, présentent des perspectives de mutualisations européennes intéressantes.

Recommandation n° 24 : Concrétiser les projets de coopérations européens destinés à mutualiser les infrastructures informatiques, définir des standards et harmoniser les règles relatives aux transferts et à la mise en ligne des données publiques.

e) Les premières phases du prochain renouvellement des supercalculateurs approchent et nécessitent de la visibilité budgétaire

La procédure de renouvellement de la puissance de calcul de l'opérateur, prévue à horizon 2025, passera par plusieurs étapes. La préparation de l'appel d'offre et l'appel à candidature devraient être effectués dès 2022 pour envisager les débuts des travaux avant 2024.

Ce calendrier resserré nécessite que l'établissement et sa tutelle, en concertation avec la direction du budget, avancent rapidement sur la spécification du besoin et ses modalités de financement. Cette perspective implique que l'horizon budgétaire de Météo-France au-delà de 2022 se dégage.


* 78 Il est situé à l'Espace Clément Ader (ECA) de l'Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées.

* 79 Il est installé au centre national de calcul (CNC) de la météopole de Toulouse.

* 80 Le service hydrographique et océanographique de la marine (SHOM), l'institut national de l'environnement industriel et des risques (INERIS), le Cerfacs et Mercator océan.

* 81 En juin pour le premier et en novembre pour le second.

* 82 C'est à dire le système de stockage, les serveurs de pré et de post-traitements, les équipements et services de réseau informatique ainsi que les travaux d'infrastructure.

* 83 3,3 millions d'euros en 2020, 2,8 millions d'euros en 2021 et 5 millions d'euros en 2022.

* 84En effet, cette dernière avait intégré à la trajectoire de la SCSP un surcoût correspondant à une multiplication par 2,5 de la puissance de calcul. Suite à la décision d'accroître la capacité de calcul intensif par un facteur cinq, la dotation complémentaire prévue au contrat budgétaire est venue compléter les financements initialement programmés.

* 85 Même si le contrat court jusqu'en 2024, au cours des premiers mois de 2025 le système de calcul actuel devra fonctionner en parallèle avec le nouveau dispositif.

* 86 Faute de financements suffisants programmés d'ici 2022, Météo-France a prévu de décaler en 2023 neuf millions d'euros d'investissements liés aux nouveaux supercalculateurs dans la perspective de bénéficier de dotations de l'État pour les couvrir. Le niveau de dépenses « exceptionnel » de 31 millions d'euros prévu en 2023 s'explique par ce phénomène.

* 87 Ainsi qu'une prévision déterministe régionale d'une résolution de 1,3 km sur l'outre-mer.

* 88 Graphics processing Unit ou processeur graphique.

* 89 Car, contrairement aux générations précédentes, la baisse des coûts unitaires ne permet plus de compenser le facteur d'accroissement de la puissance de calcul.

* 90 Ils pourraient en particulier être accompagnés d'une information sur l'évolution du risque de forts cumuls de précipitations sur une commune dans les trois à six heures.

* 91 Les prévisions à échéance de moins de six heures.

* 92 Par exemple en matière de prévision des vents dans des zones au relief complexe et de représentation des aérosols sur les théâtres d'opérations extérieures (OPEX).

* 93 Une machine capable d'effectuer jusqu'à 1018 opérations par seconde.

* 94 L'AEMET (Agencia estatal de meteorologia).