Le concept de pair à pair (P2P) a connu récemment de grands développements dans les domaines du partage de fichiers, du streaming vidéo et des bases de données distribuées. Le développement du concept de parallélisme dans les architectures de microprocesseurs et les avancées en matière de réseaux à haut débit permettent d'envisager de nouvelles applications telles que le calcul intensif distribué. Cependant, la mise en oeuvre de ce nouveau type d'application sur des réseaux P2P pose de nombreux défis comme l'hétérogénéité des machines, le passage à l'échelle et la robustesse. Par ailleurs, les protocoles de transport existants comme TCP et UDP ne sont pas bien adaptés à ce nouveau type d'application. Ce mémoire de thèse a pour objectif de présenter un environnement décentralisé pour la mise en oeuvre de calculs intensifs sur des réseaux pair à pair. Nous nous intéressons à des applications dans les domaines de la simulation numérique et de l'optimisation qui font appel à des modèles de type parallélisme de tâches et qui sont résolues au moyen d'algorithmes itératifs distribués or parallèles. Contrairement aux solutions existantes, notre environnement permet des communications directes et fréquentes entre les pairs. L'environnement est conçu à partir d'un protocole de communication auto-adaptatif qui peut se reconfigurer en adoptant le mode de communication le plus approprié entre les pairs en fonction de choix algorithmiques relevant de la couche application ou d'éléments de contexte comme la topologie au niveau de la couche réseau. Nous présentons et analysons des résultats expérimentaux obtenus sur diverses plateformes comme GRID'5000 et PlanetLab pour le problème de l'obstacle et des problèmes non linéaires de flots dans les réseaux.

Ordonnancement d’E/S Transversal pour les Systèmes de Fichiers Parallèles : desApplications aux DispositifsCette thèse porte sur l’utilisation de l’ordonnancement d’Entrées/Sorties (E/S) pour atténuer leseffets d’interférence et améliorer la performance d’E/S des systèmes de fichiers parallèles. Ilest commun pour les plates-formes de calcul haute performance (HPC) de fournir une infrastructurede stockage partagée pour les applications qui y sont hébergées. Dans cette situation,où plusieurs applications accèdent simultanément au système de fichiers parallèle partagé, leursaccès vont souffrir de l’interférence, ce qui compromet l’efficacité des stratégies d’optimisationd’E/S.Nous avons évalué la performance de cinq algorithmes d’ordonnancement dans les serveurs dedonnées d’un système de fichiers parallèle. Ces tests ont été exécutés sur différentes platesformeset sous différents modèles d’accès. Les résultats indiquent que la performance des ordonnanceursest affectée par les modèles d’accès des applications, car il est important pouraméliorer la performance obtenue grâce à un algorithme d’ordonnancement de surpasser sessurcoûts. En même temps, les résultats des ordonnanceurs sont affectés par les caractéristiquesdu système d’E/S sous-jacent - en particulier par des dispositifs de stockage. Différents dispositifsprésentent des niveaux de sensibilité à la séquentialité et la taille des accès distincts, ce quipeut influencer sur le niveau d’amélioration de obtenue grâce à l’ordonnancement d’E/S.Pour ces raisons, l’objectif principal de cette thèse est de proposer un modèle d’ordonnancementd’E/S avec une double adaptabilité : aux applications et aux dispositifs. Nous avons extraitdes informations sur les modèles d’accès des applications en utilisant des fichiers de trace,obtenus à partir de leurs exécutions précédentes. Ensuite, nous avons utilisé de l’apprentissageautomatique pour construire un classificateur capable d’identifier la spatialité et la taille desaccès à partir du flux de demandes antérieures. En outre, nous avons proposé une approche pourobtenir efficacement le ratio de débit séquentiel et aléatoire pour les dispositifs de stockage enexécutant des benchmarks pour un sous-ensemble des paramètres et en estimant les restantsavec des régressions linéaires.Nous avons utilisé les informations sur les caractéristiques des applications et des dispositifsde stockage pour décider automatiquement l’algorithme d’ordonnancement le plus appropriéen utilisant des arbres de décision. Notre approche améliore les performances jusqu’à 75% parrapport à une approche qui utilise le même algorithme d’ordonnancement dans toutes les situations,sans capacité d’adaptation. De plus, notre approche améliore la performance dans 64%de scénarios en plus, et diminue les performances dans 89% moins de situations. Nos résultatsmontrent que les deux aspects - des applications et des dispositifs - sont essentiels pour faire desbons choix d’ordonnancement. En outre, malgré le fait qu’il n’y a pas d’algorithme d’ordonnancementqui fournit des gains de performance pour toutes les situations, nous montrons queavec la double adaptabilité il est possible d’appliquer des techniques d’ordonnancement d’E/Spour améliorer la performance, tout en évitant les situations où cela conduirait à une diminutionde performance. / This thesis focuses on I/O scheduling as a tool to improve I/O performance on parallel file systemsby alleviating interference effects. It is usual for High Performance Computing (HPC)systems to provide a shared storage infrastructure for applications. In this situation, when multipleapplications are concurrently accessing the shared parallel file system, their accesses willaffect each other, compromising I/O optimization techniques’ efficacy.We have conducted an extensive performance evaluation of five scheduling algorithms at aparallel file system’s data servers. Experiments were executed on different platforms and underdifferent access patterns. Results indicate that schedulers’ results are affected by applications’access patterns, since it is important for the performance improvement obtained througha scheduling algorithm to surpass its overhead. At the same time, schedulers’ results are affectedby the underlying I/O system characteristics - especially by storage devices. Differentdevices present different levels of sensitivity to accesses’ sequentiality and size, impacting onhow much performance is improved through I/O scheduling.For these reasons, this thesis main objective is to provide I/O scheduling with double adaptivity:to applications and devices. We obtain information about applications’ access patternsthrough trace files, obtained from previous executions. We have applied machine learning tobuild a classifier capable of identifying access patterns’ spatiality and requests size aspects fromstreams of previous requests. Furthermore, we proposed an approach to efficiently obtain thesequential to random throughput ratio metric for storage devices by running benchmarks for asubset of the parameters and estimating the remaining through linear regressions.We use this information on applications’ and storage devices’ characteristics to decide the bestfit in scheduling algorithm though a decision tree. Our approach improves performance byup to 75% over an approach that uses the same scheduling algorithm to all situations, withoutadaptability. Moreover, our approach improves performance for up to 64% more situations, anddecreases performance for up to 89% less situations. Our results evidence that both aspects- applications and storage devices - are essential for making good scheduling choices. Moreover,despite the fact that there is no scheduling algorithm able to provide performance gainsfor all situations, we show that through double adaptivity it is possible to apply I/O schedulingtechniques to improve performance, avoiding situations where it would lead to performanceimpairment. / Esta tese se concentra no escalonamento de operações de entrada e saída (E/S) como uma soluçãopara melhorar o desempenho de sistemas de arquivos paralelos, aleviando os efeitos dainterferência. É usual que sistemas de computação de alto desempenho (HPC) ofereçam umainfraestrutura compartilhada de armazenamento para as aplicações. Nessa situação, em quemúltiplas aplicações acessam o sistema de arquivos compartilhado de forma concorrente, osacessos das aplicações causarão interferência uns nos outros, comprometendo a eficácia de técnicaspara otimização de E/S.Uma avaliação extensiva de desempenho foi conduzida, abordando cinco algoritmos de escalonamentotrabalhando nos servidores de dados de um sistema de arquivos paralelo. Foramexecutados experimentos em diferentes plataformas e sob diferentes padrões de acesso. Osresultados indicam que os resultados obtidos pelos escalonadores são afetados pelo padrão deacesso das aplicações, já que é importante que o ganho de desempenho provido por um algoritmode escalonamento ultrapasse o seu sobrecusto. Ao mesmo tempo, os resultados doescalonamento são afetados pelas características do subsistema local de E/S - especialmentepelos dispositivos de armazenamento. Dispositivos diferentes apresentam variados níveis desensibilidade à sequencialidade dos acessos e ao seu tamanho, afetando o quanto técnicas deescalonamento de E/S são capazes de aumentar o desempenho.Por esses motivos, o principal objetivo desta tese é prover escalonamento de E/S com duplaadaptabilidade: às aplicações e aos dispositivos. Informações sobre o padrão de acesso dasaplicações são obtidas através de arquivos de rastro, vindos de execuções anteriores. Aprendizadode máquina foi aplicado para construir um classificador capaz de identificar os aspectosespacialidade e tamanho de requisição dos padrões de acesso através de fluxos de requisiçõesanteriores. Além disso, foi proposta uma técnica para obter eficientemente a razão entre acessossequenciais e aleatórios para dispositivos de armazenamento, executando testes para apenas umsubconjunto dos parâmetros e estimando os demais através de regressões lineares.Essas informações sobre características de aplicações e dispositivos de armazenamento são usadaspara decidir a melhor escolha em algoritmo de escalonamento através de uma árvore dedecisão. A abordagem proposta aumenta o desempenho em até 75% sobre uma abordagem queusa o mesmo algoritmo para todas as situações, sem adaptabilidade. Além disso, essa técnicamelhora o desempenho para até 64% mais situações, e causa perdas de desempenho em até 89%menos situações. Os resultados obtidos evidenciam que ambos aspectos - aplicações e dispositivosde armazenamento - são essenciais para boas decisões de escalonamento. Adicionalmente,apesar do fato de não haver algoritmo de escalonamento capaz de prover ganhos de desempenhopara todas as situações, esse trabalho mostra que através da dupla adaptabilidade é possívelaplicar técnicas de escalonamento de E/S para melhorar o desempenho, evitando situações emque essas técnicas prejudicariam o desempenho.

Les ordinateurs équipés d'accélérateurs sont omniprésents parmi les machines de calcul haute performance. Cette évolution a entraîné des efforts de recherche pour concevoir des outils permettant de programmer facilement des applications capables d'utiliser toutes les unités de calcul de ces machines. Le support d'exécution StarPU développé dans l'équipe STORM de INRIA Bordeaux, a été conçu pour servir de cible à des compilateurs de langages parallèles et des bibliothèques spécialisées (algèbre linéaire, développements de Fourier, etc.). Pour proposer la portabilité des codes et des performances aux applications, StarPU ordonnance des graphes dynamiques de tâches de manière efficace sur l’ensemble des ressources hétérogènes de la machine. L’un des aspects les plus difficiles, lors du découpage d’une application en graphe de tâches, est de choisir la granularité de ce découpage, qui va typiquement de pair avec la taille des blocs utilisés pour partitionner les données du problème. Les granularités trop petites ne permettent pas d’exploiter efficacement les accélérateurs de type GPU, qui ont besoin de peu de tâches possédant un parallélisme interne de données massif pour « tourner à plein régime ». À l’inverse, les processeurs traditionnels exhibent souvent des performances optimales à des granularités beaucoup plus fines. Le choix du grain d’un tâche dépend non seulement du type de l'unité de calcul sur lequel elle s’exécutera, mais il a en outre une influence sur la quantité de parallélisme disponible dans le système : trop de petites tâches risque d’inonder le système en introduisant un surcoût inutile, alors que peu de grosses tâches risque d’aboutir à un déficit de parallélisme. Actuellement, la plupart des approches pour solutionner ce problème dépendent de l'utilisation d'une granularité des tâches intermédiaire qui ne permet pas un usage optimal des ressources aussi bien du processeur que des accélérateurs. L'objectif de cette thèse est d'appréhender ce problème de granularité en agrégeant des ressources afin de ne plus considérer de nombreuses ressources séparées mais quelques grosses ressources collaborant à l'exécution de la même tâche. Un modèle théorique existe depuis plusieurs dizaines d'années pour représenter ce procédé : les tâches parallèles. Le travail de cette thèse consiste alors en l'utilisation pratique de ce modèle via l'implantation de mécanismes de gestion de tâches parallèles dans StarPU et l'implantation ainsi que l'évaluation d'ordonnanceurs de tâches parallèles de la littérature. La validation du modèle se fait dans le cadre de l'amélioration de la programmation et de l'optimisation de l'exécution d'applications numériques au dessus de machines de calcul modernes. / Hybrid computing platforms equipped with accelerators are now commonplace in high performance computing platforms. Due to this evolution, researchers concentrated their efforts on conceiving tools aiming to ease the programmation of applications able to use all computing units of such machines. The StarPU runtime system developed in the STORM team at INRIA Bordeaux was conceived to be a target for parallel language compilers and specialized libraries (linear algebra, Fourier transforms,...). To provide the portability of codes and performances to applications, StarPU schedules dynamic task graphs efficiently on all heterogeneous computing units of the machine. One of the most difficult aspects when expressing an application into a graph of task is to choose the granularity of the tasks, which typically goes hand in hand with the size of blocs used to partition the problem's data. Small granularity do not allow to efficiently use accelerators such as GPUs which require a small amount of task with massive inner data-parallelism in order to obtain peak performance. Inversely, processors typically exhibit optimal performances with a big amount of tasks possessing smaller granularities. The choice of the task granularity not only depends on the type of computing units on which it will be executed, but in addition it will influence the quantity of parallelism available in the system: too many small tasks may flood the runtime system by introducing overhead, whereas too many small tasks may create a parallelism deficiency. Currently, most approaches rely on finding a compromise granularity of tasks which does not make optimal use of both CPU and accelerator resources. The objective of this thesis is to solve this granularity problem by aggregating resources in order to view them not as many small resources but fewer larger ones collaborating to the execution of the same task. One theoretical machine and scheduling model allowing to represent this process exists since several decades: the parallel tasks. The main contributions of this thesis are to make practical use of this model by implementing a parallel task mechanism inside StarPU and to implement and study parallel task schedulers of the literature. The validation of the model is made by improving the programmation and optimizing the execution of numerical applications on top of modern computing machines.

Cette thèse porte sur la simulation tridimensionnelle (3D) des décharges couronnes à l'aide du calcul haute performance. Lorsqu'on applique une impulsion de haute tension entre une pointe et un plan, les lignes de champ électrique fortement resserrées autour de la pointe induisent la propagation simultanée de plusieurs streamers et la formation d'une décharge couronne de structure arborescente. Dans ces conditions, seule une simulation électro-hydrodynamique 3D est apte à reproduire cette structure et fournir les ordres de grandeur de l'énergie déposée et de la concentration des espèces créées durant la phase de décharge. Cependant, cette simulation 3D est très consommatrice en temps et mémoire de calcul et n'est désormais accessible que grâce à l'accroissement permanent de la puissance des ordinateurs dédié au calcul haute performance. Dans le cadre d'une simulation électro-hydrodynamique 3D, une attention particulière doit être prise concernant l'efficacité des solveurs à résoudre les équations elliptiques 3D car leur contribution en termes de temps de calcul peut dépasser 80% du temps global de la simulation. Ainsi, une partie de manuscrit est consacrée aux tests de performances de méthodes de résolution d'équations elliptiques directes ou itératives telle que SOR R&B, BiCGSTAB et MUMPS, en utilisant le calcul massivement parallèle et les librairies MPI. Les calculs sont réalisés sur le supercalculateur EOS du réseau CALMIP, avec un nombre de cœurs de calcul allant jusqu'à 1800, et un nombre de mailles atteignant 8003 (soit plus 1/2 Milliard de mailles). Les tests de performances sont réalisés en statique sur le calcul du potentiel géométrique et en dynamique en propageant une densité de charge d'espace analytique caractéristique des streamers. Pour réaliser une simulation complète 3D de la décharge il faut également intégrer au programme un algorithme capable de résoudre les équations de transport de particule chargée à fort gradients de densité caractéristiques aux streamers. Dans ce manuscrit, l'algorithme MUSCL est testé dans différentes conditions de propagation d'un cube de densité (à vitesse homogène ou non homogène spatialement) afin d'optimiser le transport des densités d'espèces chargées impliquées. Le code 3D, conçu pour résoudre le modèle électro- hydrodynamique complet de la décharge (couplant les équations de transport, de Poisson et de cinétique réactionnelle) est ensuite validé par la confrontation des résultats 3D et 2D dans une condition de simulation présentant une symétrie de révolution autour de l'axe de propagation d'un streamer. Enfin, les premiers résultats des simulations 3D de la phase décharge avec la propagation d'un ou plusieurs streamers asymétriques sont présentés et analysés. Ces simulations permettent de suivre la structure arborescente de la décharge lorsqu'on applique une tension pulsée entre une pointe et un plan. L'initiation de la structure arborescente est étudiée en fonction de la position de spots plasmas et de leur influence sur l'amorçage des streamers. / This work is devoted to the three dimensional (3D) simulation of streamer corona discharges in air at atmospheric pressure using high-performance parallel computing. When a pulsed high-voltage is applied between a tip and a plane in air, the strong electric field lines constricted around the tip induce the simultaneous propagation of several streamers leading to a corona discharge with a tree structure. Only a true 3D electro-hydrodynamics simulation is able to reproduce this branching and to provide the orders of magnitude of the local deposited energy and the concentration of the species created during the discharge phase. However, such a 3D simulation which requires large computational memory and huge time calculation is nowadays accessible only when performed with massively parallel computation. In the field of 3D electro-hydrodynamics simulations, a special attention must be paid to the efficiency of solvers in solving 3D elliptic equations because their contribution can exceed 80% of the global computation time. Therefore, a specific chapter is devoted to test the performance of iterative and direct methods (such as SOR R&B, BiCGSTAB and MUMPS) in solving elliptic equations, using the massively parallel computation and the MPI library. The calculations are performed on the supercomputer EOS of the CALMIP network, with a number of computing cores and meshes increasing up to respectively 1800 and 8003 (i.e. more than 1/2 Billion meshes). The performances are compared for the calculation of the geometric potential and in a dynamic simulation conditions consisting in the propagation of an analytical space charge density characteristic of the streamers. To perform a complete 3D simulation of the streamer discharge, must also involve a robust algorithm able to solve the coupled conservation equations of the charged particle density with very sharp gradients characteristic of the streamers. In this manuscript, the MUSCL algorithm is tested under different propagation conditions of a cubic density (with uniform or non-uniform velocity field). The 3D code, designed to solve the complete electro-hydrodynamics model of the discharge (coupling the conservation equations, the Poisson equation and the chemical kinetics) is validated by comparing the 3D and 2D results in a simulation conditions presenting a rotational symmetry around the propagation axis of a mono-filamentary streamer. Finally, the first results of the 3D simulations of the discharge phase with the propagation of one or several asymmetric streamers are presented and analyzed. These simulations allow to follow the tree structure of a corona discharge when a pulsed voltage is applied between a tip and a plane. The ignition of the tree structure is studied as a function of the initial position of the plasma spots.

Les progrès du calcul scientifique ont permis des avancées importantes dans la simulation et la compréhension de problèmes complexes tels que les différents phénomènes physiques qui ont lieu dans des turbines à gaz industrielles. Cependant' l'essentiel de ces avancées portent sur la résolution d'un seul problème à la fois. En effet on résout soit les équations de la phase fluide d'un côté' de la thermique d'un autre' du rayonnement' etc... Pourtant' dans la réalité tous ces différents problèmes physiques interagissent entre eux: on parle de problèmes couplés. Ainsi en réalisant des calculs couplés on peut continuer à améliorer la qualité des simulations et donc donner aux concepteurs de turbines à gaz des outils supplémentaires. Aujourd'hui' des logiciels récents permettent de résoudre plusieurs physiques simultanément grâce à des solveurs génériques. En revanche' la contrepartie de cette généricité est qu'ils se révèlent peu efficaces sur des problèmes coûteux tels que la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Une autre solution consiste à connecter des codes spécialisés en leur faisant échanger des informations' cela s'appelle le couplage de codes. Dans cette thèse on s'intéresse au couplage d'un domaine fluide dans lequel on simule une SGE réactive (combustion) avec un domaine solide dans lequel on résout la conduction thermique. Pour réaliser ce couplage une méthodologie est mise en place en abordant différentes problématiques. Tout d'abord' la problématique spécifique au couplage de la SGE et de la thermique : l'impact de la fréquence d'échange sur la convergence du système ainsi que sur les problèmes de repliement de spectre et la stabilité du système couplé. Ensuite les problèmes d'interpolation et de géométrie sont traités avec notamment le développement d'une méthode d'interpolation conservative et la mise en évidence des difficultés spécifiques au couplage de géométries industrielles. Finalement la problématique du calcul haute performance (HPC) est traitée avec le développement d'une méthode permettant de réaliser efficacement l'échange des données et l'interpolation entre différents codes parallèles. Ces travaux ont été appliqués sur une configuration de chambre de combustion aéronautique industrielle. / Progress in scientific computing has led to major advances in simulation and understanding of the different physical phenomena that exist in industrial gas turbines. However' most of these advances have focused on solving one problem at a time. Indeed' the combustion problem is solved independently from the thermal or radiation problems' etc... In reality all these problems interact: one speaks of coupled problems. Thus performing coupled computations can improve the quality of simulations and provide gas turbines engineers with new design tools. Recently' solutions have been developed to handle multiple physics simultaneously using generic solvers. However' due to their genericity these solutions reveal to be ineffective on expensive problems such as Large Eddy Simulation (LES). Another solution is to perform code coupling: specialized codes are connected together' one for each problem and they exchange data periodically. In this thesis a conjugate heat transfer problem is considered. A fluid domain solved by a combustion LES solver is coupled with a solid domain in which the conduction problem is solved. Implementing this coupled problem raises multiple issues which are addressed in this thesis. Firstly' the specific problem of coupling an LES solver to a conduction solver is considered: the impact of the inter-solver exchange frequency on convergence' possible temporal aliasing' and stability of the coupled system is studied. Then interpolation and geometrical issues are addressed: a conservative interpolation method is developed and compared to other methods. These methods are then applied to an industrial configuration' highlighting the problems and solutions specific to complex geometry. Finally' high performance computing (HPC) is considered: an efficient method to perform data exchange and interpolation between parallel codes is developed. This work has been applied to an aeronautical combustion chamber configuration.

La microcirculation cérébrale joue un rôle clé dans la physiologie cérébrale. Lors de maladies dégénératives comme celle d’Alzheimer, la détérioration des réseaux microvasculaires (e.g. occlusions et baisse de densité vasculaires) limite l’afflux sanguin vers le cortex. La réduction associée de l’apport en oxygène et nutriments risque de provoquer la mort de neurones. En complément des techniques d’imagerie médicale, la modélisation est un outil précieux pour comprendre l’impact de telles variations structurelles sur l’écoulement sanguin et les transferts de masse. Dans la microcirculation cérébrale, le lit capillaire contient les plus petits vaisseaux (diamètre de 1-10 μm) et présente une structure maillée, au sein du tissu cérébral. C’est le lieu principal des échanges moléculaires entre le sang et les neurones. Le lit capillaire est alimenté et drainé par les arbres artériolaires et veinulaires (diamètre de 10-100 μm). Depuis quelques décennies, les approches “réseau” ont significativement amélioré notre compréhension de l’écoulement sanguin, du transport de masse et des mécanismes de régulation dans la microcirculation cérébrale humaine. Cependant, d’un point de vue numérique, la densité des capillaires limite ces approches à des volumes relativement petits (<100 mm3). Cette contrainte empêche leur application à des échelles cliniques, puisque les techniques d’imagerie médicale permettent d’acquérir des volumes bien plus importants (∼100 cm3), avec une résolution de 1-10 mm. Pour réduire ce coût numérique, nous présentons une approche hybride pour la modélisation de l’écoulement dans laquelle les capillaires sont remplacés par un milieu continu. Cette substitution a du sens puisque le lit capillaire est dense et homogène à partir d’une longueur de coupure de ∼50 μm. Dans ce continuum, l’écoulement est caractérisé par des propriétés effectives (e.g. perméabilité) à l’échelle d’un volume représentatif plus grand. De plus, le continuum est discrétisé par la méthode des volumes finis sur un maillage grossier, ce qui induit un gain numérique important. Les arbres artério- et veinulaires ne peuvent être homogénéisés à cause de leur structure quasi-fractale. Nous appliquons donc une approche “réseau” standard dans les vaisseaux les plus larges. La principale difficulté de l’approche hybride est de développer un modèle de couplage aux points où les vaisseaux artério- et veinulaires sont connectés au continuum. En effet, de forts gradients de pression apparaissent à proximité de ces points, et doivent être homogénéisés proprement à l’échelle du continuum. Ce genre de couplage multi-échelle n’a jamais été introduit dans le contexte de la microcirculation cérébrale. Nous nous inspirons ici du "modèle de puits" développé par Peaceman pour l’ingénierie pétrolière, en utilisant des solutions analytiques du champ des pressions dans le voisinage des points de couplage. Les équations obtenues forment un unique système linéaire à résoudre pour l’ensemble du domaine d’étude. Nous validons l’approche hybride par comparaison avec une approche “réseau” classique, pour des architectures synthétiques simples qui n’impliquent qu’un ou deux couplages, et pour des structures plus complexes qui impliquent des arbres artério- et veinulaires anatomiques avec un grand nombre de couplages. Nous montrons que cette approche est fiable, puisque les erreurs relatives en pression sont faibles (<6 %). Cela ouvre la voie à une complexification du modèle (e.g. hématocrite non uniforme). Dans une perspective de simulations à grande échelle et d’extension au transport de masse, l’approche hybride a été implémentée dans un code C++ conçu pour le calcul haute performance. Ce code a été entièrement parallélisé en utilisant les standards MPI et des librairies spécialisées (e.g. PETSc). Ce travail faisant partie d’un projet plus large impliquant plusieurs collaborateurs, une attention particulière a été portée à l’établissement de stratégies d’implémentation efficaces. / The brain microcirculation plays a key role in cerebral physiology and neuronal activation. In the case of degenerative diseases such as Alzheimer’s, severe deterioration of the microvascular networks (e.g. vascular occlusions) limit blood flow, thus oxygen and nutrients supply, to the cortex, eventually resulting in neurons death. In addition to functional neuroimaging, modelling is a valuable tool to investigate the impact of structural variations of the microvasculature on blood flow and mass transfers. In the brain microcirculation, the capillary bed contains the smallest vessels (1-10 μm in diameter) and presents a mesh-like structure embedded in the cerebral tissue. This is the main place of molecular exchange between blood and neurons. The capillary bed is fed and drained by larger arteriolar and venular tree-like vessels (10-100 μm in diameter). For the last decades, standard network approaches have significantly advanced our understanding of blood flow, mass transport and regulation mechanisms in the human brain microcirculation. By averaging flow equations over the vascular cross-sections, such approaches yield a one-dimensional model that involves much fewer variables compared to a full three-dimensional resolution of the flow. However, because of the high density of capillaries, such approaches are still computationally limited to relatively small volumes (<100 mm3). This constraint prevents applications at clinically relevant scales, since standard imaging techniques only yield much larger volumes (∼100 cm3), with a resolution of 1-10 mm3. To get around this computational cost, we present a hybrid approach for blood flow modelling where the capillaries are replaced by a continuous medium. This substitution makes sense since the capillary bed is dense and space-filling over a cut-off length of ∼50 μm. In this continuum, blood flow is characterized by effective properties (e.g. permeability) at the scale of a much larger representative volume. Furthermore, the domain is discretized on a coarse grid using the finite volume method, inducing an important computational gain. The arteriolar and venular trees cannot be homogenized because of their quasi-fractal structure, thus the network approach is used to model blood flow in the larger vessels. The main difficulty of the hybrid approach is to develop a proper coupling model at the points where arteriolar or venular vessels are connected to the continuum. Indeed, high pressure gradients build up at capillary-scale in the vicinity of the coupling points, and must be properly described at the continuum-scale. Such multiscale coupling has never been discussed in the context of brain microcirculation. Taking inspiration from the Peaceman “well model” developed for petroleum engineering, our coupling model relies on to use analytical solutions of the pressure field in the neighbourhood of the coupling points. The resulting equations yield a single linear system to solve for both the network part and the continuum (strong coupling). The accuracy of the hybrid model is evaluated by comparison with a classical network approach, for both very simple synthetic architectures involving no more than two couplings, and more complex ones, with anatomical arteriolar and venular trees displaying a large number of couplings. We show that the present approach is very accurate, since relative pressure errors are lower than 6 %. This lays the goundwork for introducing additional levels of complexity in the future (e.g. non uniform hematocrit). In the perspective of large-scale simulations and extension to mass transport, the hybrid approach has been implemented in a C++ code designed for High Performance Computing. It has been fully parallelized using Message Passing Interface standards and specialized libraries (e.g. PETSc). Since the present work is part of a larger project involving several collaborators, special care has been taken in developing efficient coding strategies.

Cette thèse étudie la gestion de ressources pour des services de calcul intensif à la demande sur une grappe de calcul partagée. Dans un tel contexte, il s'agissait de définir des outils d'exploitation qui permettent d'allouer dynamiquement les ressources pour l'exécution des requêtes à la demande, de partager équitablement les ressources entre les différents services, tout en maximisant leur utilisation. Financé par le pôle de compétitivité Minalogic dans le cadre du projet Ciloe (http://ciloe.minalogic.net), ce travail s'adresse à des organisations de types PME ou PMI, où les budgets de fonctionnement ne permettent pas de supporter les charges d'une infrastructure de calcul dédiée. Dans un premier temps, nous avons dressé un état de l'art sur la gestion de ressources dans les domaines de nuage de calcul et de calcul intensif. Puis, tirant partie de cette étude, nous avons défini une architecture virtualisée pour faciliter l'exécution dynamique des requêtes grâce à un gestionnaire de ressources spécifique. Nous avons enfin proposé une stratégie de partage et d'allocation de ressources flexible qui offre un compromis entre équité et utilisation efficace de ressources. Ayant travaillé dans un contexte de collaboration avec des industriels, nous avons développé un prototype comme une preuve de concept. Basé sur des standards ouverts, ce prototype s'appuie sur des outils existants de virtualisation tel que OpenNebula pour allouer et manipuler les machines virtuelles sur les noeuds de la grappe. A partir de ce prototype et diverses charges de travail qui sont détaillés dans cette thèse, nous avons mené des expériences pour évaluer l'architecture et les algorithmes de gestion de ressources. Les résultats montrent que ces différentes contributions satisfont les objectifs fixés tout en étant performantes et efficaces. / This thesis studies resource management for on-demand computing services through a shared cluster. In such a context, the aim was to propose tools to enable allocating resources automatically for executing on-demand user requests, to enable sharing resources proportionally among those services, while maximizing their use. Funded by the Minalogic global business cluster through the Ciloe Project (http://ciloe.minalogic.net), this work targets on organizations such as SMB, which are not able to support the charge of purchasing and maintaining a dedicated computing infrastructure. Firstly, we have achieved a deep survey in the areas of on-demand computing and high performance computing. From this survey, we have defined a virtualized architecture to enable dynamic execution of user requests thanks to a special resource manager. Finally, we have proposed policies and algorithms which are so flexible to offer a suitable tradeoff between equity and resource use. Having worked in a context of industrial collaboration, we have developed a prototype of our proposal as a proof of concept. Based on open standards, this prototype relies on existing virtualization tools such as OpenNebula for allocating and manipulating virtual machines over the cluster's nodes. From this prototype along with various workloads, we have carried out experiments to evaluate our architecture and scheduling algorithms. Results have shown that our contributions allow to achieve the expected goals while being reliable and efficient.

La complexification des architectures matérielles pousse vers l’utilisation de paradigmes de programmation de haut niveau pour concevoir des applications scientifiques efficaces, portables et qui passent à l’échelle. Parmi ces paradigmes, la programmation par tâches permet d’abstraire la complexité des machines en représentant les applications comme des graphes de tâches orientés acycliques (DAG). En particulier, le modèle de programmation par tâches soumises séquentiellement (STF) permet de découpler la phase de soumission des tâches, séquentielle, de la phase d’exécution parallèle des tâches. Même si ce modèle permet des optimisations supplémentaires sur le graphe de tâches au moment de la soumission, il y a une préoccupation majeure sur la limite que la soumission séquentielle des tâches peut imposer aux performances de l’application lors du passage à l’échelle. Cette thèse se concentre sur l’étude du passage à l’échelle du support d’exécution StarPU (développé à Inria Bordeaux dans l’équipe STORM), qui implémente le modèle STF, dans le but d’optimiser les performances d’un solveur d’algèbre linéaire dense utilisé par le CEA pour faire de grandes simulations 3D. Nous avons collaboré avec l’équipe HiePACS d’Inria Bordeaux sur le logiciel Chameleon, qui est une collection de solveurs d’algèbre linéaire portés sur supports d’exécution à base de tâches, afin de produire un solveur d’algèbre linéaire dense sur StarPU efficace et qui passe à l’échelle jusqu’à 3 000 coeurs de calcul et 288 accélérateurs de type GPU du supercalculateur TERA-100 du CEA-DAM. / The ever-increasing supercomputer architectural complexity emphasizes the need for high-level parallel programming paradigms to design efficient, scalable and portable scientific applications. Among such paradigms, the task-based programming model abstracts away much of the architecture complexity by representing an application as a Directed Acyclic Graph (DAG) of tasks. Among them, the Sequential-Task-Flow (STF) model decouples the task submission step, sequential, from the parallel task execution step. While this model allows for further optimizations on the DAG of tasks at submission time, there is a key concern about the performance hindrance of sequential task submission when scaling. This thesis’ work focuses on studying the scalability of the STF-based StarPU runtime system (developed at Inria Bordeaux in the STORM team) for large scale 3D simulations of the CEA which uses dense linear algebra solvers. To that end, we collaborated with the HiePACS team of Inria Bordeaux on the Chameleon software, which is a collection of linear algebra solvers on top of task-based runtime systems, to produce an efficient and scalable dense linear algebra solver on top of StarPU up to 3,000 cores and 288 GPUs of CEA-DAM’s TERA-100 cluster.

Ce travail de thèse se situe à l'interface entre la chimie théorique, le calcul scientifique et les mathématiques appliquées. On s'intéresse aux différents algorithmes utilisés pour résoudre les équations spécifiques qui apparaissent dans le cadre de la dynamique moléculaire utilisant des champs de forces polarisables dans un cadre massivement parallèle. Cette famille de modèles nécessite en effet de résoudre des équations plus complexes que les modèles classiques usuels et rend nécessaire l'utilisation de supercalculateurs pour obtenir des résultats significatifs. On s'intéressera plus précisément à différents cas de conditions aux limites pour rendre compte des effets de solvatation comme les conditions aux limites périodiques traitées avec la méthode du Particle Mesh Ewald et un modèle de solvatation continu discrétisé par décomposition de domaine : le ddCOSMO. Le plan de cette thèse est le suivant : sont d'abord passées en revue les différentes stratégies parallèles en dynamique moléculaire en général, sont ensuite présentées les façons de les adapter au cas des champs de forces polarisables. Après quoi sont présentées différentes stratégies pour s'affranchir de certaines limites liées à l'usage de méthodes itératives en dynamique moléculaire polarisable en utilisant des approximations analytiques pour l'énergie de polarisation. Ensuite, l'adaptation de ces méthodes à différents cas pratiques de conditions aux limites est présentée : d'abord en ce qui concerne les conditions aux limites périodiques traitées avec la méthode du Particle Mesh Ewald et ensuite en ce qui concerne un modèle de solvatation continue discrétisé selon une stratégie de décomposition de domaine. / This works is at the interface between theoretical chemistry, scientific computing and applied mathematics. We study different algorithms used to solve the specific equations that arise in polarizable molecular dynamics in a massively parallel context. This family of models requires indeed to solve more complex equations than in the classical case making the use of supercomputers mandatory in order to get significant results. We will more specifically study different types of boundary conditions that represent different ways to model solvation effects : first the Particle Mesh Ewald method to treat periodic boundary conditions and then a continuum solvation model discretized within a domain decomposition strategy : the ddCOSMO. The outline of this thesis is as follows : first, the different parallel strategies in the general context of molecular dynamics are reviewed. Then several methods to adapt these strategies to the specific case of polarizable force fields are presented. After that, strategies that allow to circumvent certain limits due to the use of iterative methods in the context of polarizable molecular dynamics are presented and studied. Then, the adapation of these methods to different cases of boundary conditions is presented : first in the case of the Particle Mesh Ewald method to treat periodic boundary conditions and then in the case of a particular continuum solvation model discretized with a domain decomposition strategy : the ddCOSMO. Finally, various numerical results and applications are presented.

Cette thèse porte sur la modélisation et l’analyse de la propagation électromagnétique dans un milieu forestier dans les bandes VHF et UHF. L’objectif principal est le développement d’un modèle numérique "full-wave" tridimensionnel de diffusion par la forêt permettant de caractériser l’interaction d’une onde électromagnétique avec un milieu forestier. Un tel modèle s’avère, actuellement, un outil indispensable à l’analyse des mesures radar pour l’étude des paramètres caractéristiques de la forêt tels que la biomasse forestière, la hauteur des arbres et leur densité. La complexité numérique de ce modèle a limité son domaine d’application à de petites parcelles de forêt et aux basses fréquences. Pour pouvoir traiter de larges zones forestières tout en montant en fréquence, et s’approcher ainsi des besoins et exigences des utilisateurs potentiels de notre modèle, nous avons intégré à ce modèle une méthode numérique efficace dédiée à l’analyse de larges problèmes électromagnétiques. La méthode en question,connue sous le nom de Characteristic Basis Function Method (CBFM) était récemment développée dans le laboratoire de Communication et Electromagnétisme de l’université PennState dirigé par le Professeur Mittra. Après une optimisation et une adaptation au problème d’intérêt, la CBFM réalise d’excellentes performances et nous permet une diminution considérable du temps de calcul et des besoins en espace mémoire sans pour autant dégrader la qualité des résultats obtenus ou altérer la fidélité du modèle à la réalité du problème électromagnétique traité. / A 3-D full-wave model, based on the integral representation of the electric field and dedicatedto the analysis of bi-static scattering mechanisms by a forest in the VHF and UHF bands wasefficiently enhanced. In order to overcome the limitation of a previous 3D model to small simulationsscenes and low frequencies, we have developed, during this research work, a new model using basis functionsadapted to the problem of interest, in the context of the Characteristic Basis Function Method(CBFM) and we investigated the suitability of this direct method for computing the electromagneticfields inside and outside three-dimensional dielectric objects representing the tree trunks and branches.The CBFM has shown great performances, when applied to the forest scattering modeling, both interms of CPU time and memory resources needed. Once properly set, the CBFM-E is so efficient thatit is able to treat in few minutes electromagnetic problems totally intractable with the classical MoM.Consequently, we have developed a powerful 3D forest electromagnetic scattering tool which allows ustoday to compute large forest electromagnetic problems in few minutes without worrying about theaccuracy of the solution. On the other hand, we have demonstrated the efficiency and accuracy of theCBFM-E when applied to 3D dielectric objects in the context of the electric volumetric integral equation,and have consolidated thus its leading position in the computational electromagnetics, especiallyagainst the iterative solvers based numerical methods.