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 développe une nouvelle approche pour la conception d'un reservoir computer, l'un des défis de la science et de la technologie modernes. La thèse se compose de deux parties, toutes deux s'appuyant sur l'analogie entre les systèmes optoelectroniques à retard et les dynamiques spatio-temporelles non linéaires. Dans la première partie (Chapitres 1 et 2) cette analogie est utilisée dans une perspective fondamentale afin d'étudier les formes auto-organisées connues sous le nom d'états Chimère, mis en évidence une première fois comme une conséquence de ces travaux. Dans la deuxième partie (Chapitres 3 et 4) la même analogie est exploitée dans une perspective appliquée afin de concevoir et mettre en oeuvre un concept de traitement de l'information inspiré par le cerveau: un réservoir computer fonctionnant en temps réel est construit dans une puce FPGA, grâce à la mise en oeuvre d'une dynamique à retard et de ses couches d'entrée et de sortie, pour obtenir un système traitement d'information autonome intelligent. / The thesis develops a novel approach to design of a reservoir computer, one of the challenges of modern Science and Technology. It consists of two parts, both connected by the correspondence between optoelectronic delayed-feedback systems and spatio-temporal nonlinear dynamics. In the first part (Chapters 1 and 2), this correspondence is used in a fundamental perspective, studying self-organized patterns known as chimera states, discovered for the first time in purely temporal systems. Study of chimera states may shed light on mechanisms occurring in many structurally similar high-dimensional systems such as neural systems or power grids. In the second part (Chapters 3 and 4), the same spatio-temporal analogy is exploited from an applied perspective, designing and implementing a brain-inspired information processing device: a real-time digital reservoir computer is constructed in FPGA hardware. The implementation utilizes delay dynamics and realizes input as well as output layers for an autonomous cognitive computing system.

Dans le contexte de l’informatique pervasive et de l’internet des objets, les systèmes sonthétérogènes, distribués et adaptatifs (p. ex., systèmes de gestion des transports, bâtimentsintelligents). La conception et le déploiement de ces systèmes sont rendus difficiles par leurnature hétérogène et distribuée mais aussi le risque de décisions d’adaptation conflictuelleset d’inconsistances à l’exécution. Les inconsistances sont causées par des pannes matériellesou des erreurs de communication. Elles surviennent lorsque des actions correspondant auxdécisions d’adaptation sont supposées être effectuées alors qu’elles ne le sont pas.Cette thèse propose un support intergiciel, appelé SICODAF, pour la conception et ledéploiement de systèmes adaptatifs fiables. SICODAF combine une fiabilité comportementale(absence de décisions conflictuelles) au moyen de systèmes de transitions et une fiabilitéd’exécution (absence d’inconsistances) à l’aide d’un intergiciel transactionnel. SICODAF estbasé sur le calcul autonomique. Il permet de concevoir et de déployer un système adaptatifsous la forme d’une boucle autonomique qui est constituée d’une couche d’abstraction, d’unmécanisme d’exécution transactionnelle et d’un contrôleur. SICODAF supporte trois typesde contrôleurs (basés sur des règles, sur la théorie du contrôle continu ou discret). Il permetégalement la reconfiguration d’une boucle, afin de gérer les changements d’objectifs quisurviennent dans le système considéré, et l’intégration d’un système de détection de pannesmatérielles. Enfin, SICODAF permet la conception de boucles multiples pour des systèmesqui sont constitués de nombreuses entités ou qui requièrent des contrôleurs de types différents.Ces boucles peuvent être combinées en parallèle, coordonnées ou hiérarchiques.SICODAF a été mis en oeuvre à l’aide de l’intergiciel transactionnel LINC, de l’environnementd’abstraction PUTUTU et du langage Heptagon/BZR qui est basé sur des systèmesde transitions. SICODAF a été également évalué à l’aide de trois études de cas. / In the context of pervasive computing and internet of things, systems are heterogeneous,distributed and adaptive (e.g., transport management systems, building automation). Thedesign and the deployment of these systems are made difficult by their heterogeneous anddistributed nature but also by the risk of conflicting adaptation decisions and inconsistenciesat runtime. Inconsistencies are caused by hardware failures or communication errors. Theyoccur when actions corresponding to the adaptation decisions are assumed to be performedbut are not done.This thesis proposes a middleware support, called SICODAF, for the design and thedeployment of reliable adaptive systems. SICODAF combines a behavioral reliability (absenceof conflicting decisions) by means of transitions systems and an execution reliability(absence of inconsistencies) through a transactional middleware. SICODAF is based on autonomiccomputing. It allows to design and deploy an adaptive system in the form of anautonomic loop which consists of an abstraction layer, a transactional execution mechanismand a controller. SICODAF supports three types of controllers (based on rules, on continuousor discrete control theory). SICODAF also allows for loop reconfiguration, to dealwith changing objectives in the considered system, and the integration of a hardware failuredetection system. Finally, SICODAF allows for the design of multiple loops for systems thatconsist of a high number of entities or that require controllers of different types. These loopscan be combined in parallel, coordinated or hierarchical.SICODAF was implemented using the transactional middleware LINC, the abstractionenvironment PUTUTU and the language Heptagon/BZR that is based on transitionssystems. SICODAF was also evaluated using three case studies.

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.

Dans un monde de plus en plus connecté, la question de la confiance dans les sys-tèmes d’information qui nous entourent devient primordiale, et amène naturellement à des interrogations quant à leur sécurité. Les enjeux de cette dernière concernent autant la confidentialité des données individuelles que la protection des architectures critiques, notamment déployées dans le domaine de l’énergie et du transport. Dans cette thèse, nous abordons trois problématiques liées aux architectures de sécurité des systèmes d’information. Tout d’abord, nous proposons une architecture pour un module de rupture protocolaire, fournissant une protection face aux attaques utilisant le réseau comme vecteur. Grâce à l’isolation et le filtrage des échanges qu’il réalise, nous montrons que ce nouvel équipement est particulièrement adapté à la sécurisation des systèmes de contrôle-commandes. Nous abordons ensuite le thème de la sécurité des utilisateurs finaux ou objets connectés, par la définition d’une Infrastructure de Gestion de Clefs (IGC) centrée sur ces derniers, dénommée LocalPKI. Elle repose sur l’utilisation de certificats auto-signés, et son objectif est d’allier la simplicité des IGC pair-à-pair avec la sécurité des IGC hiérarchiques.Enfin, nous nous intéressons à l’amélioration du mécanisme des ancres de confiance pour les autorités de certification, utilisé par exemple dans PKIX et LocalPKI. A cet égard, nous commençons par définir des protocoles multi-parties permettant de calculer des produits scalaires et matriciels, préservant la confidentialité des données. Nous montrons finalement comment les appliquer dans le cadre de l’agrégation de confiance, et par conséquent à la réputation des autorités de certification / In a increasingly connected world, trust in information systems is essential. Thus, many questions about their security arise. Topics of these questions include individual data confidentiality as well as protection of Industrial Critical Systems(ICS). For instance, ICS are deployed in sectors including energy or transportation where security is of high importance. In this thesis, we address three problems related to the security architecture of information systems. We first propose an architecture for a protocol splitting device. This provides protection against networkattacks by isolating and filtering data exchanges. We show that this new security equipment is well suited for ICS. Then, we focus on end-user security. We define a user-centric Public Key Infrastructure (PKI) called LocalPKI. By using self-signed certificates, this infrastructure combines the user-friendliness of PGP-based PKI and the security of hierarchical PKI. Finally, we improve the trust anchormechanism. It is employed by Certification Authorities (CA) and especially used in PKIX or LocalPKI. In that respect, we first define multi-party protocols to securely compute dot and matrix products. Then, we explain how to apply them on trust aggregations and thus on the reputation of certification authorities.

Les calculs de précision dans les théories de jauge jouent un rôle très important pour l’étude de la physique du Modèle Standard et au-delà dans les super-collisionneurs de particules comme le LHC, TeVatron et ILC. Par conséquent, il est extrêmement important de fournir des outils du calcul d’amplitudes à une boucle stables, rapides, efficaces et hautement automatisés. Cette thèse a pour but de développer la bibliothèque d’intégrales Golem95. Cette bibliothèque est un programme écrit en Fortran95, qui contient tous les ingrédients nécessaires pour calculer une intégrale scalaire ou tensorielle à une boucle avec jusqu’à six pattes externes. Golem95 utilise une méthode traditionnelle de réduction (réduction à la Golem) qui réduit les facteurs de forme en des intégrales de base redondantes qui peuvent être scalaires (sans paramètres de Feynman au numérateur) ou tensorielles (avec des paramètres de Feynman au numérateur); ce formalisme permet d’éviter les problèmes de l’instabilité numérique engendrés par des singularités factices dues à l’annulation des déterminants de Gram. En plus, cette bibliothèque peut être interfacée avec des programmes du calcul automatique basés sur les méthodes d’unitarité comme GoSam par exemple. Les versions antérieures de Golem95 ont été conçues pour le calcul des amplitudes sans masses internes. Le but de ce travail de thèse est de généraliser cette bibliothèque pour les configurations les plus générales (les masses complexes sont incluses), et de fournir un calcul numériquement stable dans les régions problématique en donnant une représentation intégrale unidimensionnelle stable pour chaque intégrale de base de Golem95. / Higher order corrections in gauge theories play a crucial role in studying physics within the standard model and beyond at TeV colliders, like LHC, TeVatron and ILC. Therefore, it is of extreme importance to provide tools for next-to-leading order amplitude computation which are fast, stable, efficient and highly automatized. This thesis aims at developing the library of integrals Golem95. This library is a program written in Fortran95, it contains all the necessary ingredients to calculate any one-loop scalar or tensorial integral with up to six external legs. Golem95 uses the traditional reduction method (Golem reduction) to reduce the form factors into redundant basic integrals, which can be scalar (without Feynman parameters in the numerator) or tensorial (with Feynman parameter in the numerator); this formalism allows us to avoid the problems of numerical instabilities generated by the spurious singularities induced by the vanishing of the Gram determinants. In addition, this library can be interfaced with automatic programs of NLO calculation based on the unitarity inspired reduction methods as GoSam for example. Earlierversions of Golem95 were designed for the calculation of amplitudes without internal masses. The purpose of this thesis is to extend this library for more general configurations (complex masses are supported); and to provide numerically stable calculation in the problematic regions (det(G) → 0), by providing a stable one-dimensional integral representation for each Golem95 basic integral.

Les entreprises aéronautiques ont un besoin continu de générer de grands et complexes modèles de simulation, en particulier pour simuler le comportement structurel de sous-systèmes de leurs produits. Actuellement, le pré-traitement des modèles de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) issus des maquettes numériques de ces sous-systèmes en Modèles Eléments Finis (MEF), est une tâche qui demande de longues heures de travail de la part des ingénieurs de simulation, surtout lorsque des idéalisations géométriques sont nécessaires. L'objectif de ce travail de thèse consiste à définir les principes et les opérateurs constituant la chaîne numérique qui permettra, à partir de maquettes numériques complexes, de produire des géométries directement utilisables pour la génération de maillages éléments finis d'une simulation mécanique. A partir d'une maquette numérique enrichie d'information sur les interfaces géométriques entre composants et d'information sur les propriétés fonctionnelles de l'assemblage, l'approche proposée dans ce manuscrit est d'ajouter un niveau supplémentaire d'enrichissement en fournissant une représentation structurelle de haut niveau de la forme des composants CAO. Le principe de cet enrichissement est d'extraire un graphe de construction de modèles CAO B-Rep de sorte que les processus de génération de forme correspondants fournissent des primitives volumiques directement adaptées à un processus d'idéalisation. Ces primitives constituent la base d'une analyse morphologique qui identifie dans les formes des composants à la fois des sous-domaines candidats à l'idéalisation mais également les interfaces géométriques qui leurs sont associées. Ainsi, les modèles de composants et leurs représentations géométriques sont structurés. Ils sont intégrés dans la maquette numérique enrichie qui est ainsi contextualisée pour la simulation par EF. De cette maquette numérique enrichie, les objectifs de simulation peuvent être utilisés pour spécifier les opérateurs géométriques adaptant les composants et leurs interfaces lors de processus automatiques de préparation d'assemblages. Ainsi, un nouveau procédé d'idéalisation de composant unitaire est proposé. Il bénéficie de l'analyse morphologique faite sur le composant lui fournissant une décomposition en sous-domaines idéalisables et en interfaces. Cette décomposition est utilisée pour générer les modèles idéalisés de ces sous-domaines et les connecter à partir de l'analyse de leurs interfaces, ce qui conduit à l'idéalisation complète du composant. Enfin, le processus d'idéalisation est étendu au niveau de l'assemblage et évolue vers une méthodologie de pré-traitement automatique de maquettes numériques. Cette méthodologie vise à exploiter l'information fonctionnelle de l'assemblage et les informations morphologiques des composants afin de transformer à la fois des groupes de composants associés à une même fonction ainsi que de traiter les transformations d'idéalisation de l'assemblage. Pour démontrer la validité de la méthodologie, des opérateurs géométriques sont développés et testés sur des cas d'application industriels. / Aeronautical companies face a significant increase in complexity and size of simulation models especially at the level of assemblies, sub-systems of their complex products. Pre-processing of Computer Aided Design (CAD) models derived from the digital representation of sub-systems, i.e., Digital Mock-Ups (DMUs), into Finite Elements Analysis (FEA) models requires usually many tedious manual tasks of model preparation and shape transformations, in particular when idealizations of components or assemblies have to be produced. Therefore, the purpose of this thesis is to make a contribution to the robust automation of the time-consuming sequences of assembly preparation processes. Starting from an enriched DMU with geometrical interfaces between components and functional properties, the proposed approach takes DMU enrichment to the next level by structuring components' shapes. This approach extracts a construction graph from B-Rep CAD models so that the corresponding generative processes provide meaningful volume primitives for idealization application. These primitives form the basis of a morphological analysis which identifies the sub-domains for idealization in the components' shapes and their associated geometric interfaces. Subsequently, models of components as well as their geometric representation get structured in an enriched DMU which is contextualized for FEA application. Based on this enriched DMU, simulation objectives can be used to specify geometric operators that can be robustly applied to automate components and interfaces shape transformations during an assembly preparation process. A new idealization process of standalone components is proposed while benefiting from the decomposition into sub-domains and their geometric interfaces provided by the morphological analysis of the component. Interfaces between sub-domains are evaluated to robustly process the connections between the idealized sub-domains leading to the complete idealization of the component. Finally, the scope of the idealization process is extended to shape transformations at the assembly level and evolves toward a methodology of assembly pre-processing. This methodology aims at exploiting the functional information of the assembly and interfaces between components to perform transformations of groups of components and assembly idealizations. In order to prove the applicability of the proposed methodology, corresponding operators are developed and successfully tested on industrial use-cases.

Aujourd'hui, dans de nombreux champs d'applications, de plus en plus de problèmes d'ingénierie demandent d'avoir une évaluation précise et efficace de quantités d'intérêt.Très souvent, ces quantités dépendent de la solution d'une équation aux dérivées partielles (EDP) paramétrée où les paramètres -- physiques ou géométriques -- sont les entrées du modèle et les quantités d'intérêt -- valeurs moyennes -- en sont les sorties.Les techniques de réduction d'ordre, notamment la méthode des bases réduites qui est la méthode utilisée tout au long de ces travaux,permettent de répondre à ces demandes.Dans cette thèse nous nous intéressons à la mise en place d'un framework en C++, supportant le calcul parallèle, permettant d'appliquer la méthode des bases réduites à des problèmes multi-physiques non-linéaires tels queles problèmes de convection naturelle (couplage fluide-thermique), ou encore la modélisation d'aimants de type résistifs à hauts champs (nous nous limitons au couplage thermo-electrique) aboutissant à une étude sur la quantification d'incertitude.La méthode des bases réduites s'appuie naturellement sur une approximation obtenue via la discrétisation élément fini du problème à traiter. Pour cela nous utilisons la librairie de calcul Feel++, spécialisée dans la résolution d'EDPs.Nous nous intéressons également aux problèmes de type multi-échelles.La particularité de ces problèmes est de manipuler un ensemble de phénomènes mettant en jeu des échelles différentes, comme c'est le cas par exemple lorsque nous considérons un écoulement en milieu poreux.La méthode des éléments finis multi-échelles permet d'avoir le comportement "global", associé aux grandes échelles, de la solution du problème sans devoir le résoudre sur les petites échelles.Nous proposons une nouvelle construction des fonctions de base élément fini multi-échelles basée sur la méthode des bases réduites. / Today, in many fields of applications, more and more engineering problems require to have an accurate and efficient evaluation of quantities of interest.Often, these quantities depend on a partial differential equation (PDE) parameterized solution -- physical or geometrical -- are the model inputs and the quantities of interest -- average values ​​-- are the outputs.The order reduction techniques, including reduced basis method which is the method used throughout this work, can meet these demands.In this thesis, we focus on the establishment of a framework in C ++ supporting parallel computing, which applies the reduced basis method to nonlinear multiphysics problems such as problems with natural convection (fluid-thermal coupling) or the high field resistive magnet modeling (we limit ourselves to thermo-electric coupling) leading to a study on the uncertainty quantification.The reduced basis method naturally relies on an approximation obtained using the finite element discretization of the problem being treated. For this, we use the Feel ++ computation library specialized in PDE resolution.We are also interested by multiscale problems.The particularity of these problems is to manipulate a set of phenomena involving different scales, as this is the case for example when we consider a flow in porous media.The multiscale finite element method allows having a "global" behavior, linked with large scales, of the problem solution without solving it on small scales.We propose a new construction of multiscale finite element basis functions based on the reduced basis method.

Les critères de sureté qui régissent le développement de coeurs de réacteurs dequatrième génération implique l’usage d’outils de calcul neutronique performants. Unepremière partie de la thèse reprend toutes les étapes de modélisation neutronique desréacteurs rapides actuellement d’usage dans le code de référence ECCO. La capacité desmodèles à décrire le phénomène d’autoprotection, à représenter les fuites neutroniques auniveau d’un réseau d’assemblages combustibles et à générer des sections macroscopiquesreprésentatives est appréciée sur le domaine des réacteurs rapides innovants respectant lescritères de quatrième génération. La deuxième partie de ce mémoire se consacre à lamodélisation des coeurs rapides avec réflecteur acier. Ces derniers nécessitent ledéveloppement de méthodes avancées de condensation et d’homogénéisation. Plusieursméthodes sont proposées et confrontées sur un problème de modélisation typique : le coeurZONA2B du réacteur maquette MASURCA. / Due to safety rules running on fourth generation reactors’ core development,neutronics simulation tools have to be as accurate as never before. First part of this reportenumerates every step of fast reactor’s neutronics simulation implemented in currentreference code: ECCO. Considering the field of fast reactors that meet criteria of fourthgeneration, ability of models to describe self-shielding phenomenon, to simulate neutronsleakage in a lattice of fuel assemblies and to produce representative macroscopic sections isevaluated. The second part of this thesis is dedicated to the simulation of fast reactors’ corewith steel reflector. These require the development of advanced methods of condensationand homogenization. Several methods are proposed and compared on a typical case: theZONA2B core of MASURCA reactor.