Les architectures parallèles sont désormais présentes dans tous les matériels informatiques, mais les pro- grammeurs ne sont généralement pas formés à leur programmation dans les modèles explicites tels que MPI ou les Pthreads. Il y a un besoin important de modèles plus abstraits tels que les squelettes algorithmiques qui sont une approche structurée. Ceux-ci peuvent être vus comme des fonctions d'ordre supérieur synthétisant le comportement d'algorithmes parallèles récurrents que le développeur peut ensuite combiner pour créer ses programmes. Les développeurs souhaitent obtenir de meilleures performances grâce aux programmes parallèles, mais le temps de développement est également un facteur très important. Les approches par squelettes algorithmiques fournissent des résultats intéressants dans ces deux aspects. La bibliothèque Orléans Skeleton Library ou OSL fournit un ensemble de squelettes algorithmiques de parallélisme de données quasi-synchrones dans le langage C++ et utilise des techniques de programmation avancées pour atteindre une bonne efficacité. Nous avons amélioré OSL afin de lui apporter de meilleures performances et une plus grande expressivité. Nous avons voulu analyser le rapport entre les performances des programmes et l'effort de programmation nécessaire sur OSL et d'autres modèles de programmation parallèle. La comparaison rigoureuse entre des programmes parallèles dans OSL et leurs équivalents de bas niveau montre une bien meilleure productivité pour les modèles de haut niveau qui offrent une grande facilité d'utilisation tout en produisant des performances acceptables.

L'analyse et la reconstruction automatique de scène urbaine 3D est un problème fondamental dans le domaine de la vision par ordinateur et du traitement numérique de la géométrie. Cette thèse présente des méthodologies pour résoudre le problème complexe de la reconstruction d'éléments urbains en 3D à partir de données aériennes Lidar ou bien de maillages générés par imagerie Multi-View Stereo (MVS). Nos approches génèrent une représentation précise et compacte sous la forme d'un maillage 3D comportant une sémantique de l'espace urbain. Deux étapes sont nécessaires; une identification des différents éléments de la scène urbaine, et une modélisation des éléments sous la forme d'un maillage 3D. Le Chapitre 2 présente deux méthodes de classifications des éléments urbains en classes d'intérêts permettant d'obtenir une compréhension approfondie de la scène urbaine, et d'élaborer différentes stratégies de reconstruction suivant le type d'éléments urbains. Cette idée, consistant à insérer à la fois une information sémantique et géométrique dans les scènes urbaines, est présentée en détails et validée à travers des expériences. Le Chapitre 3 présente une approche pour détecter la 'Végétation' incluses dans des données Lidar reposant sur les processus ponctuels marqués, combinée avec une nouvelle méthode d'optimisation. Le Chapitre 4 décrit à la fois une approche de maillage 3D pour les 'Bâtiments' à partir de données Lidar et de données MVS. Des expériences sur des structures urbaines larges et complexes montrent les bonnes performances de nos systèmes.

With the advent of low-energy buildings, the need for accurate building performance simulations has significantly increased. However, for the time being, the thermo-aeraulic effects are often taken into account through simplified or even empirical models, which fail to provide the expected accuracy. Resorting to computational fluid dynamics seems therefore unavoidable, but the required computational effort is in general prohibitive. The joint use of innovative approaches such as the lattice Boltzmann method (LBM) and massively parallel computing devices such as graphics processing units (GPUs) could help to overcome these limits. The present research work is devoted to explore the potential of such a strategy. The lattice Boltzmann method, which is based on a discretised version of the Boltzmann equation, is an explicit approach offering numerous attractive features: accuracy, stability, ability to handle complex geometries, etc. It is therefore an interesting alternative to the direct solving of the Navier-Stokes equations using classic numerical analysis. From an algorithmic standpoint, the LBM is well-suited for parallel implementations. The use of graphics processors to perform general purpose computations is increasingly widespread in high performance computing. These massively parallel circuits provide up to now unrivalled performance at a rather moderate cost. Yet, due to numerous hardware induced constraints, GPU programming is quite complex and the possible benefits in performance depend strongly on the algorithmic nature of the targeted application. For LBM, GPU implementations currently provide performance two orders of magnitude higher than a weakly optimised sequential CPU implementation. The present thesis consists of a collection of nine articles published in international journals and proceedings of international conferences (the last one being under review). These contributions address the issues related to single-GPU implementations of the LBM and the optimisation of memory accesses, as well as multi-GPU implementations and the modelling of inter-GPU and internode communication. In addition, we outline several extensions to the LBM, which appear essential to perform actual building thermo-aeraulic simulations. The test cases we used to validate our codes account for the strong potential of GPU LBM solvers in practice.

Rechercher les similarités entre séquences est une opération fondamentale en bioinformatique, que cela soit pour étudier des questions biologiques ou bien pour traiter les données issues de séquenceurs haut-débit. Il y a un vrai besoin d'algorithmes capables de traiter des millions de séquences rapidement. Pour trouver des similarités approchées, on peut tout d'abord considérer de petits mots exacts présents dans les deux séquences, les graines, puis essayer d'étendre les similarités aux voisinages de ces graines. Cette thèse se focalise sur la deuxième étape des heuristiques à base de graines : comment récupérer et comparer efficacement ces voisinages des graines, pour ne garder que les bons candidats ? La thèse explore différentes solutions adaptées aux processeurs massivement multicoeurs: aujourd'hui, les GPUs sont en train de démocratiser le calcul parallèle et préparent les processeurs de demain. La thèse propose des approches directes (extension de l'algorithme bit-parallèle de Wu-Manber, publiée à PBC 2011, et recherche dichotomique) ou bien avec un index supplémentaire (utilisation de fonctions de hash parfaites). Chaque solution a été pensée pour tirer le meilleur profit des architectures avec un fort parallélisme à grain fin, en utilisant des calculs intensifs mais homogènes. Toutes les méthodes proposées ont été implémentés en OpenCL, et comparées sur leur temps d'exécution. La thèse se termine par un prototype de read mapper parallèle, MAROSE, utilisant ces concepts. Dans certaines situations, MAROSE est plus rapide que les solutions existantes avec une sensibilité similaire.

Cette HDR s'inscrit dans le cadre des actions de recherche pour la simulation des transitoires brutaux pour les structures et les fluides en interaction menées au Laboratoire d'Etudes de Dynamique du CEA, relatives à la définition de méthodes numériques pour la modélisation de systèmes mécaniques complexes et la résolution parallèle sur les supercalculateurs de problèmes de taille industrielle. Une particularité des approches proposées est la limitation à son minimum du nombre de paramètres non-physiques dans une simulation, pour s'accommoder des contraintes de maîtrise de la solution qu'impose le périmètre d'utilisation des concepts : sûreté nucléaire (CEA, EDF) ou aéronautique (ONERA, protection du citoyen (EC/JRC), en particulier. Ainsi, les contraintes cinématiques couplant fortement les structures entre elles (contact unilatéral par exemple) ou les fluides et les structures (avec des maillages conformes ou topologique déconnectés en fonction des situations géométriques) sont majoritairement traitées par l'intermédiaire de multiplicateurs de Lagrange, assurant la vérification exacte des équations de liaison au prix de la résolution d'un système additionnel variable dans le temps. Ce dernier aspect fait d'EPX (http://www-epx.cea.fr), le logiciel servant de réceptacle pour les méthodes, un outil à part dans la communauté du calcul en dynamique rapide. Le mémoire repose principalement sur une description des besoins en matière de modélisation pour la simulation de transitoires de référence, en particulier dans le monde du nucléaire, et des réponses apportées dans le cadre de la collaboration entre le CEA, EDF (via le LaMSID) et le LaMCoS. Sont ainsi considérés par exemple la déchirure d'un réservoir sous impact, l'accident de dimensionnement du confinement pour un réacteur de IVème génération ou la ruine d'une structure en béton armée sous impact. Sont ainsi proposés des modélisations innovantes et des algorithmes de résolution parallèles permettant de mettre en oeuvre avec efficacité les simulations correspondantes sur des calculateurs composés de noeuds multi-coeurs interconnectés sans jamais dégrader la qualité de la solution, ce qui a fait en particulier l'objet du projet ANR RePDyn (2010-2013), piloté par le CEA, à l'origine d'une collaboration étroite et en cours avec l'INRIA (Laboratoire d'Informatique de Grenoble).

Ces 50 dernières années, la majorité des paramètres de conception des moteurs cryotechniques ont été ajustés en l'absence d'une compréhension détaillée de la dynamique de flamme, en raison des limites des diagnostiques expérimentaux et des capacités de calcul. L'objectif de cette thèse est de réaliser des simulations numériques instationnaires d'écoulements réactifs transcritiques de haute fidélité, pour permettre une meilleure compréhension de la dynamique de flamme dans les moteurs cryotechniques et finalement guider leur amélioration. Dans un premier temps, la thermodynamique gaz-réel et son impact sur les schémas numériques sont présentés. Comme la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) comporte des équations filtrées, les effets de filtrages induits par la thermodynamique gaz-réel sont ensuite mis en évidence dans une configuration transcritique type et un opérateur de diffusion artificiel, spécifique au gaz réel, est proposé pour lisser les gradients transcritiques en SGE. Dans un deuxième temps, une étude fondamentale du mélange turbulent et de la combustion dans la zone proche-injecteur des moteurs cryotechniques est menée grâce à la Simulation Numérique Directe (SND). Dans le cas non-réactif, les lâchers tourbillonnaires dans le sillage de la lèvre de l'injecteur jouent un rôle majeur dans le mélange turbulent et provoquent la formation de structures en peigne déjà observées expérimentalement dans des conditions similaires. Dans le cas réactif, la flamme reste attachée à la lèvre de l'injecteur, sans extinction locale, et les structures en peigne disparaissent. La structure de flamme est analysée et différents modes de combustion sont identifiés. Enfin, une étude de flamme-jet transcritique H2/O2, accrochée à un injecteur coaxial avec et sans retrait interne, est menée. Les résultats numériques sont d'abord validés par des données expérimentales pour l'injecteur sans retrait. Ensuite, la configuration avec retrait est comparée à la solution de référence sans retrait et à des données experimentales pour observer les effets de ce paramètre de conception sur l'efficacité de combustion.

La découverte des anesthésiques représente un progrès majeur de la médecine, rendu possible par l'observation empirique de leurs effets. Des expériences ont révélées les neurorécepteurs comme cibles possibles des anesthésiques, des canaux localisés sur la membrane des cellules cibles aux terminaisons nerveuses. Le récepteur GLIC, un homologue bactérien du récepteur nicotinique humain, a été co-cristallisé en 2011 avec des anesthésiques généraux liés à lui. Dans cette thèse, j'utilise les simulations de dynamique moléculaire pour caractériser les interactions entre des anesthésiques généraux et différentes formes de GLIC. En 2011, le propofol et le desflurane ont été co-cristallisés dans un site de liaison intra-sous-unité localisé dans le domaine transmembranaire de GLIC. En 2013, il a été montré que le bromoforme se lie à ce site ainsi qu'à un site inter-sous-unités. Dans ce travail, je décris des simulations d'une nouvelle structure cristalline montrant un site de liaison situé dans le pore du canal. Des simulations d'innondation de GLIC par le bromoforme ont démontré l'accessibilité spontanée des sites expérimentaux dans un environnement non cristallin. Des calculs d'énergie libre mettent en évidence des différences d'énergie de liaison entre les sites et entre des mutants de GLIC. Un échantillonnage complet des poches de liaison m'a permis de détecter un autre site de liaison inter-sous-unité duquel l'accessibilité est semble modulée par un résidu en particulier. Les données accumulées au cours de ce projet fournissent une image grandissante de l'action des anesthésiques à l'échelle atomique.

Les systèmes embarqués modernes ont atteint un niveau de complexité qui fait qu'il n'est plus possible d'attendre les premiers prototypes physiques pour valider les décisions sur l'intégration des composants matériels et logiciels. Il est donc nécessaire d'utiliser des modèles, tôt dans le flot de conception. Les travaux présentés dans ce document contribuent à l'état de l'art dans plusieurs domaines. Nous présentons dans un premier temps de nouvelles techniques de vérification de programmes écrits dans des langages généralistes comme C, C++ ou Java. Dans un second temps, nous utilisons des outils de vérification formelle sur des modèles écrits en SystemC au niveau transaction (TLM). Plusieurs approches sont présentées, la plupart d'entre elles utilisent des techniques de compilations spécifiques à SystemC pour transformer le programme SystemC en un format utilisable par les outils. La seconde partie du document s'intéresse aux propriétés non-fonctionnelles des modèles~: performances temporelles, consommation électrique et température. Dans le contexte de la modélisation TLM, nous proposons plusieurs techniques pour enrichir des modèles fonctionnels avec des informations non-fonctionnelles. Enfin, nous présentons les contributions faites à l'analyse de performance modulaire (MPA) avec le calcul temps-réel (RTC). Nous proposons plusieurs connections entre ces modèles analytiques et des formalismes plus expressifs comme les automates temporisés et le langage de programmation Lustre. Ces connexion posent le problème théorique de la causalité, qui est formellement défini et résolu avec un algorithme nouveau dit de " fermeture causale ".

L'exigence croissante des régulations concernant les émissions de polluants a poussé les motoristes à concevoir des chambres de combustions fonctionnant en régime pauvre (prémélangé). Cependant cette technologie est particulièrement sujette au développement d'instabilités thermoacoustiques. Ce phénomène résulte d'une boucle rétroactive entre la combustion, l'acoustique, et la dynamique de l'écoulement dans les chambres de combustion confinées. Dans ce travail, les instabilités de combustion sont étudiées en utilisant l'équation de Helmholtz avec ajout d'un terme réactif qui permet de prendre en compte le couplage entre la combustion et l'acoustique. La discrétisation de l'équation de Helmholtz résultante sur un maillage non structuré mène à un problème aux valeurs propres non linéaire. La matrice associée à ce problème est complexe, non-symétrique, de taille N (N étant égal au nombre de noeuds du maillage). La solution du problème aux valeurs propres fournit les fréquences et les taux d'amplification (valeurs propres complexes) ainsi que les structures (vecteurs propres) des modes propres de la chambre de combustion. Les instabilités de combustion les plus dangereuses se produisant généralement aux fréquences les plus faibles, le problème non linéaire doit être résolu afin d'obtenir les valeurs propres de plus petit module. Pour cela il est d'abord linéarisé en utilisant une méthode de point fixe. On résout de facon itérative une séquence de problèmes aux valeurs propres linéaires qui converge vers une solution du problème non linéaire initial. Par conséquent, différents solveurs aux valeurs propres parallèles, robustes, et efficaces sont étudiés. Des strategies pour accélérer la résolution de la séquence de problèmes linéaires sont également proposées. Dans les turbines à gaz modernes présentant des chambres de combustion annulaires, les modes de résonance les plus dangereux prennent souvent la forme d'ondes azimutales. Ces travaux se focalisent donc sur l'analyse de ces modes, notamment l'effet de la symétrie de la configuration sur leur stabilité et leur nature (stationnaire, tournant, ou mixte). L'efficacité des algorithmes étudiés et implémentés dans le solveur de Helmholtz 3D AVSP, rend ainsi possible l'analyse des instabilités thermoacoustiques d'une chambre de combustion annulaire industrielle.

Les itérations chaotiques, un outil issu des mathématiques discrètes, sont pour la première fois étudiées pour obtenir de la divergence et du désordre. Après avoir utilisé les mathématiques discrètes pour en déduire des situations de non convergence, ces itérations sont modélisées sous la forme d'un système dynamique et sont étudiées topologiquement dans le cadre de la théorie mathématique du chaos. Nous prouvons que leur adjectif " chaotique " a été bien choisi: ces itérations sont du chaos aux sens de Devaney, Li-Yorke, l'expansivité, l'entropie topologique et l'exposant de Lyapunov, etc. Ces propriétés ayant été établies pour une topologie autre que la topologie de l'ordre, les conséquences de ce choix sont discutées. Nous montrons alors que ces itérations chaotiques peuvent être portées telles quelles sur ordinateur, sans perte de propriétés, et qu'il est possible de contourner le problème de la finitude des ordinateurs pour obtenir des programmes aux comportements prouvés chaotiques selon Devaney, etc. Cette manière de faire est respectée pour générer un algorithme de tatouage numérique et une fonction de hachage chaotiques au sens le plus fort qui soit. A chaque fois, l'intérêt d'être dans le cadre de la théorie mathématique du chaos est justifié, les propriétés à respecter sont choisies suivant les objectifs visés, et l'objet ainsi construit est évalué. Une notion de sécurité pour la stéganographie est introduite, pour combler l'absence d'outil permettant d'estimer la résistance d'un schéma de dissimulation d'information face à certaines catégories d'attaques. Enfin, deux solutions au problème de l'agrégation sécurisée des données dans les réseaux de capteurs sans fil sont proposées.