Les automates cellulaires ont été introduits il y a une soixantaine d'années par von Neumann et Ulam qui cherchaient à définir les caractéristiques d'un système formel apte au calcul universel et à l'auto-reproduction. Leur utilité a été rapidement reconnue dans des domaines variés comme la physique et la biologie, pour modéliser des phénomènes complexes. En informatique, ils offrent un cadre privilégié pour l'étude du parallélisme massif. Leur description est simple et bien formalisée. Ils ont a la même puissance de calcul que les machines de Turing et de plus la richesse algorithmique propre aux machines parallèles tout en restant un modèle physiquement réaliste. Dans le cadre unificateur de la reconnaissance de langages, je m'intéresse aux questions de complexité sur les automates cellulaires, avec une attention particulière aux petites classes de complexité : calcul en temps réel (i.e. temps minimal) et en temps linéaire; en effet, c'est pour ces classes que l'apport du parallélisme est remarquable par rapport au mode séquentiel. Avec pour objectif de préciser les capacités de ce modèle et de mieux comprendre ce qu'est un calcul parallèle, trois tendances majeures se dégagent de mes travaux : l'étude des limites de ce modèle, la comparaison avec d'autres modèles de calcul et la question de l'influence de certains paramètres comme la dimension ou le voisinage sur ses capacités de reconnaissance.

L'informatique a changé profondément les aspects méthodologiques du processus de découverte dans les différents domaines du savoir. Les chercheurs ont à leur disposition aujourd'hui de nouvelles capacités qui permettent d'envisager la résolution de nouveaux problèmes. Les plates-formes parallèles et distribuées composées de ressources partagées entre différents participants peuvent rendre ces nouvelles capacités accessibles à tout chercheur et offrent une puissance de calcul qui a été limitée jusqu'à présent aux projets scientifiques les plus grands (et les plus riches). Dans ce document qui regroupe les résultats obtenus pendant cette thèse, nous explorons quatre facettes différentes de la façon dont les organisations s'engagent dans une collaboration sur de plates-formes parallèles et distribuées. En utilisant des outils classiques de l'analyse combinatoire, de l'ordonnancement multi-objectif et de la théorie des jeux, nous avons montré comment calculer des ordonnancements avec un bon compromis entre les résultats obtenus par les participants et la performance globale de la plate-forme. En assurant des résultats justes et en garantissant des améliorations de performance pour les différents participants, nous pouvons créer une plate-forme efficace où chacun se sent toujours encouragé à collaborer et à partager ses ressources. Tout d'abord, nous étudions la collaboration entre organisations égoïstes. Nous montrons que le comportement égoïste entre les participants impose une borne inférieure sur le makespan global. Nous présentons des algorithmes qui font face à l'égoïsme des organisations et qui présentent des résultats équitables. La seconde étude porte sur la collaboration entre les organisations qui peuvent tolérer une dégradation limitée de leur performance si cela peut aider à améliorer le makespan global. Nous améliorons les bornes d'inapproximabilité connues sur ce problème et nous présentons de nouveaux algorithmes dont les garanties sont proches de l'ensemble de Pareto (qui regroupe les meilleures solutions possibles). La troisième forme de collaboration étudiée est celle entre des participants rationnels qui peuvent choisir la meilleure stratégie pour leur tâches. Nous présentons un modèle de jeu non coopératif pour le problème et nous montrons comment l'utilisation de "coordination mechanisms" permet la création d'équilibres approchés avec un prix de l'anarchie borné. Finalement, nous étudions la collaboration entre utilisateurs partageant un ensemble de ressources communes. Nous présentons une méthode qui énumère la frontière des solutions avec des meilleurs compromis pour les utilisateurs et sélectionne la solution qui apporte la meilleure performance globale.

La technologie actuelle permet aux scientifiques de divers domaines d'obtenir des données de plus en plus précises et volumineuses, Afin de résoudre ces problèmes associés à l'obtention de ces données, les architectures de calcul évoluent, en fournissant toujours plus de ressources, notamment grâce à des machines plus puissantes et à leur mutualisation. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier dans un premier temps le placement des tâches d'applications itératives asynchrones dans des environnements hétérogènes et volatils. Notre solution nous permet également de s'affranchir de l(hétérogénéité des machines hôtes tout en offrent une implantation facilitée de politiques de tolérance aux pannes, les expérimentations que nous avons menées sont encourageantes et montrent qu'il existe un réel potentiel quand à l'utilisation d'une telle plateforme pour l'exécution d'applications scientifiques.

La croissance exponentielle de la génération de données pour la bioinformatique couplée à une stagnation des fréquences d'horloge des processeurs modernes accentuent la nécessité de fournir des implémentation tirant bénéfice des capacités parallèles des ordinateurs modernes. Cette thèse se concentre sur des algorithmes et implementations pour des problèmes de bioinformatique. Plusieurs types de parallélisme sont décrits et exploités. Cette thèse présente des applications en génétique, avec un outil de détection de QTL paralllisé sur GPU, en comparaison de structures de protéines, avec un outil permettant de trouver des régions similaires entre protéines parallélisé sur CPU, ainsi qu'à l'analyse de larges graphes avec une implémentation multi-GPUs d'un nouvel algorithme pour le problème du "All-Pairs Shortest Path".

La donnée sismique depuis sa conception (modélisation d'acquisitions sismiques), dans sa phase de traitement (prétraitement et migration) et jusqu'à son exploitation pour en extraire les informations géologiques pertinentes nécessaires à l'identification et l'exploitation optimale des réservoirs d'hydrocarbures (interprétation), génère un volume important de calculs. Lors de la phase d'imagerie, ce volume est d'autant plus important que les différentes simulations mises en jeu se veulent fidèles à la physique du sous sol. Une puissance de calcul importante est donc nécessaire pour réduire le temps, et donc le coût, des études en imagerie sismique et pour améliorer le résultat final de ces études en reproduisant plus fidèlement les phénomènes physiques mis en jeu et en considérant de plus larges plages de fréquences. Lors de la phase d'interprétation, le calcul d'attributs sismiques (type : cohérence, lissage, analyse spectrale, etc.) offre une aide de choix à l'interprétateur. Ces calculs se font usuellement selon un cycle itératif pour sélectionner les paramètres les plus adaptés. Ce cycle est rendu fastidieux par la complexité et donc le temps des calculs. L'exploitation optimale des ressources de calcul disponibles dans la station d'interprétation est nécessaire pour raccourcir ce cycle ainsi que pour la mise en œuvre d'algorithmes de traitements plus performants. Les technologies accélératrices permettent de déléguer certains types de calculs à des unités puissantes (GPGPU, FPGA, MIC) dans le cadre de plateformes hétérogènes en alternative au CPU utilisé habituellement. La puissance de calcul accessible par ce biais dépasse de plusieurs ordres de grandeur ce que peuvent proposer les architectures généralistes utilisées traditionnellement en calcul hautes performances. Ces nouvelles architectures sont une alternative très intéressante pour augmenter la puissance de calcul sans augmenter pour autant la puissance électrique consommée et thermique dissipée. Néanmoins, les contraintes d'utilisation font qu'à l'heure actuelle ces nouveaux types de calculateurs sont difficiles à programmer et à optimiser dans le cadre du calcul scientifique et conduisent à des codes dédiés à une architecture particulière. Les simulations reposant sur la résolution de l'équation des ondes en 2D ou 3D discrétisée sur des grilles (utilisées pour la modélisation et la migration sismiques), ainsi que les algorithmes de traitement d'images (utilisés lors de l'interprétation des données sismiques) sont des candidats potentiels pour une implémentation très efficace sur ces nouvelles architectures. Dans cette thèse, nous proposons une étude de l'apport, des contraintes ainsi que des limites éventuelles de ces technologies accélératrices pour l'imagerie et l'interprétation sismiques. Dans la première partie du manuscrit, après une brève introduction à l'imagerie sismique dans le premier chapitre, nous passons en revue dans le deuxième chapitre les algorithmes utilisés dans ce cadre pour mettre en exergue la complexité de ces algorithmes et les besoins en puissance de calcul qui en découlent. Nous exposons ensuite dans le chapitre 3 les différentes technologies matérielles et logicielles actuelles permettant de répondre à ces besoins. Dans la deuxième partie de ce manuscrit, nous étudions l'impact de l'utilisation des technologies accélératrices en imagerie sismique (chapitre 4) et dans le cadre de l'interprétation sismique (chapitre 5). Dans le chapitre 4, nous proposons ainsi diverses implémentations d'algorithmes utilisés en imagerie sismique reposant sur la simulation de la propagation des ondes sismiques dans le sous- sol via une discrétisation de l'équation d'onde en 2D et en 3D et sa résolution par différences finies. Nous analysons le comportement de ces implémentations sur divers types d'accélérateurs. Nous montrons qu'une prise en compte fine des ressources disponibles au niveau de l'unité de calcul (bandes passantes, capacité mémoire, organisation des données en mémoire et motifs d'accès à ses différents niveaux) est nécessaire pour tirer partie de chaque type d'architecture et au-delà de cela, de chaque génération d'une architecture donnée. De plus, les communications entre l'accélérateur et la machine hôte ont un coût qu'il est nécessaire de limiter pour ne pas pénaliser les temps de calcul. Nous proposons différentes techniques pour minimiser ces coûts et analysons leur comportement. Ces implémentations reposent sur une décomposition du domaine de simulation global, qui peut être de taille importante, en sous-domaines ce qui induit également des communications entre nœuds dans le cadre de systèmes à mémoire distribuée. Dans le chapitre 5, une étude similaire est proposée pour le calcul d'attributs sismiques. Contrairement aux algorithmes d'imagerie sismique, ce sont les ressources de la station de travail locale qui sont exploitées pour tendre vers un calcul interactif des attributs facilitant ainsi la tâche de l'interprétateur. Une implémentation performante de la transposition de cubes sismiques 3D est proposée. Elle sert de base aux algorithmes étudiés par la suite. Est étudiée ensuite une première classe d'algorithmes basés sur le calcul de la similarité entre traces sismiques voisines : cohérence, calcul de pendage ainsi qu'un algorithme innovant mis au point lors de cette étude. Les calculs sur accélérateur graphique du lissage gaussien par filtres FIR et IIR sont comparés. Des facteurs d'accélération variant entre 8 et 160 par rapport aux processeurs classiques sont reportés. Ces travaux ouvrent la voie à une intégration complète et systématique des accélérateurs de calcul tout le long du cycle de traitement des données sismiques et ce d'autant plus que nous avons démontré que cette intégration ne se fait pas aux dépends de la fiabilité et de la maintenabilité du code existant.

Les simulateurs industriels deviennent de plus en plus complexes car ils doivent intégrer de façon performante des modèles physiques complets et des méthodes de discrétisation évoluées. Leur mise au point nécessite de gérer de manière efficace la complexité des modèles physiques sous-jacents, la complexité des méthodes numériques utilisées, la complexité des services numériques de bas niveau nécessaires pour tirer parti des architectures matérielle modernes et la complexité liée aux langages informatiques. Une réponse partielle au problème est aujourd'hui fournie par des plate-formes qui proposent des outils avancés pour gérer de façon transparente la complexité liée au parallélisme. Cependant elles ne gèrent que la complexité du matériel et les services numériques de bas niveau comme l'algèbre linéaire. Dans le contexte des méthodes Éléments Finis (EF), l'existence d'un cadre mathématique unifié a permis d'envisager des outils qui permettent d'aborder aussi la complexité issue des méthodes numériques et celle liée aux problèmes physiques, citons, par exemple, les projets Freefem++, Getdp, Getfem++, Sundance, Feel++ et Fenics. Le travail de thèse a consisté à étendre cette approche aux méthodes d'ordre bas pour des systèmes d'EDPs, méthodes qui souffraient jusqu'à maintenant d'une absence d'un cadre suffisamment général permettant son extension à des problèmes différents. Des travaux récents ont résolue cette difficulté, par l'introduction d'une nouvelle classe de méthodes d'ordre bas inspirée par les éléments finis non conformes. Cette formulation permet d'exprimer dans un cadre unifié les schémas VF multi-points et les méthodes DFM/VFMH. Ce nouveau cadre a permis la mise au point d'un langage spécifique DSEL en C++ qui permet de développer des applications avec un haut niveau d'abstraction, cachant la complexité des méthodes numériques et des services bas niveau garanties de haute performances. La syntaxe et les techniques utilisées sont inspirée par celles de Feel++. Le DSEL a été développé à partir de la plate-forme Arcane, et embarqué dans le C++. Les techniques de DSEL permettent de représenter un problème et sa méthode de résolution avec une expression, parsée à la compilation pour générer un programme, et évaluée à l'exécution pour construire un système linéaire que l'on peut résoudre pour trouver la solution du problème. Nous avons mis au point notre DSEL à l'aide d'outils standard issus de la bibliothèque Boost puis l'avons validé sur divers problèmes académiques non triviaux tels que des problèmes de diffusion hétérogène et le problème de Stokes. Dans un deuxième temps, dans le cadre du projet ANR HAMM (Hybrid Architecture and Multiscale Methods), nous avons validé notre approche en complexifiant le type de méthodes abordées et le type d'architecture matérielle cible pour nos programmes. Nous avons étendu le formalisme mathématique sur lequel nous nous basons pour pouvoir écrire des méthodes multi-échelle puis nous avons enrichi notre DSEL pour pouvoir implémenter de telles méthodes. Afin de pouvoir tirer partie de façon transparente des performances de ressources issues d'architectures hybrides proposant des cartes graphiques de type GPGPU, nous avons mis au point une couche abstraite proposant un modèle de programmation unifié qui permet d'accéder à différents niveaux de parallélisme plus ou moins fin en fonction des spécificités de l'architecture matérielle cible. Nous avons validé cette approche en évaluant les performances de cas tests utilisant des méthodes multi-échelle sur des configurations variés de machines hétérogènes. Pour finir nous avons implémenté des applications variées de type diffusion-advection-réaction, de Navier-Stokes incompressible et de type réservoir. Nous avons validé la flexibilité de notre approche et la capacité qu'elle offre à appréhender des problèmes variés puis avons étudié les performances des diverses implémentations. / Industrial simulation software has to manage : the complexity of the underlying physical models, usually expressed in terms of a PDE system completed with algebraic closure laws, the complexity of numerical methods used to solve the PDE systems, and finally the complexity of the low level computer science services required to have efficient software on modern hardware. Nowadays, this complexity management becomes a key issue for the development of scientific software. Some frameworks already offer a number of advanced tools to deal with the complexity related to parallelism in a transparent way. However, all these frameworks often provide only partial answers to the problem as they only deal with hardware complexity and low level numerical complexity like linear algebra. High level complexity related to discretization methods and physical models lack tools to help physicists to develop complex applications. New paradigms for scientific software must be developed to help them to seamlessly handle the different levels of complexity so that they can focus on their specific domain. Generative programming, component engineering and domain-specific languages (either DSL or DSEL) are key technologies to make the development of complex applications easier to physicists, hiding the complexity of numerical methods and low level computer science services. These paradigms allow to write code with a high level expressive language and take advantage of the efficiency of generated code for low level services close to hardware specificities. In the domain of numerical algorithms to solve partial differential equations, their application has been up to now limited to Finite Element (FE) methods, for which a unified mathematical framework has been existing for a long time. Such kinds of DSL have been developed for finite element or Galerkin methods in projects like Freefem++, Getdp, Getfem++, Sundance, Feel++ and Fenics. A new consistent unified mathematical frame has recently emerged and allows a unified description of a large family of lowest-order methods. This framework allows then, as in FE methods, the design of a high level language inspired from the mathematical notation, that could help physicists to implement their application writing the mathematical formulation at a high level. We propose to develop a language based on that frame, embedded in the C++ language. Our work relies on a mathematical framework that enables us to describe a wide family of lowest order methods including multiscale methods based on lowest order methods. We propose a DSEL developed on top of Arcane platform, based on the concepts presented in the unified mathematical frame and on the Feel++ DSEL. The DSEL is implemented with the Boost.Proto library by Niebler, a powerful framework to build a DSEL in C++. We have proposed an extension of the computational framework to multiscale methods and focus on the capability of our approach to handle complex methods.Our approach is extended to the runtime system layer providing an abstract layer that enable our DSEL to generate efficient code for heterogeneous architectures. We validate the design of this layer by benchmarking multiscale methods. This method provides a great amount of independent computations and is therefore the kind of algorithms that can take advantage efficiently of new hybrid hardware technology. Finally we benchmark various complex applications and study the performance results of their implementations with our DSEL.

Depuis une dizaine d'année, l'évolution des machines de calcul tend vers des architectures parallèles et hétérogènes. Composées de plusieurs nœuds connectés via un réseau incluant chacun des unités de traitement hétérogènes, ces grilles offrent de grandes performances. Pour programmer ces architectures, l'utilisateur doit s'appuyer sur des modèles de programmation comme MPI, OpenMP, CUDA. Toutefois, il est toujours difficile d'obtenir à la fois une bonne productivité du programmeur, qui passe par une abstraction des spécificités de l'architecture et performances. Dans cette thèse, nous proposons d'exploiter l'idée qu'un modèle de programmation spécifique à un domaine applicatif particulier permet de concilier ces deux objectifs antagonistes. En effet, en caractérisant une famille d'applications, il est possible d'identifier des abstractions de haut niveau permettant de les modéliser. Nous proposons deux modèles spécifiques au traitement du signal et de l'image sur cluster hétérogène. Le premier modèle est statique. Nous lui apportons une fonctionnalité de migration de tâches. Le second est dynamique, basé sur le support exécutif StarPU. Les deux modèles offrent d'une part un haut niveau d'abstraction en modélisant les applications de traitement du signal et de l'image sous forme de graphe de flot de données et d'autre part, ils permettent d'exploiter efficacement les différents niveaux de parallélisme tâche, données, graphe. Ces deux modèles sont validés par plusieurs implémentations et comparaisons incluant deux applications de traitement de l'image du monde réel sur cluster CPU-GPU. / Since a decade, computing systems evolved to parallel and heterogeneous architectures. Composed of several nodes connected via a network and including heterogeneous processing units, clusters achieve high performances. To program these architectures, the user must rely on programming models such as MPI, OpenMP or CUDA. However, it is still difficult to conciliate productivity provided by abstracting the architectural specificities, and performances. In this thesis, we exploit the idea that a programming model specific to a particular domain of application can achieve these antagonist goals. In fact, by characterizing a family of application, it is possible to identify high level abstractions to efficiently model them. We propose two models specific to the implementation of signal and image processing applications on heterogeneous clusters. The first model is static. We enrich it with a task migration feature. The second model is dynamic, based on the StarPU runtime. Both models offer firstly a high level of abstraction by modeling image and signal applications as a data flow graph and secondly they efficiently exploit task, data and graph parallelisms. We validate these models with different implementations and comparisons including two real-world applications of images processing on a CPU-GPU cluster.

Cette thèse porte sur les propriétés opérationnelles de deux extensions quantitatives du λ-calcul pur : le λ-calcul algébrique et le λ-calcul probabiliste.Dans la première partie, nous étudions la théorie de la β-réduction dans le λ-calcul algébrique. Ce calcul permet la formation de combinaisons linéaires finies de λ-termes. Bien que le système obtenu jouisse de la propriété de Church-Rosser, la relation de réduction devient triviale en présence de coefficients négatifs, ce qui la rend impropre à définir une notion de forme normale. Nous proposons une solution qui permet la définition d'une relation d'équivalence sur les termes, partielle mais cohérente. Nous introduisons une variante de la β-réduction, restreinte aux termes canoniques, dont nous montrons qu'elle caractérise en partie la notion de forme normale précédemment établie, démontrant au passage un théorème de factorisation.Dans la seconde partie, nous étudions la bisimulation et l'équivalence contextuelle dans un λ-calcul muni d'un choix probabliste. Nous donnons une technique pour établir que la bisimilarité applicative probabiliste est une congruence. Bien que notre méthode soit adaptée de celle de Howe, certains points techniques sont assez différents, et s'appuient sur des propriétés non triviales de « désintrication » sur les ensembles de nombres réels. Nous démontrons finalement que, bien que la bisimilarité soit en général strictement plus fine que l'équivalence contextuelle, elles coïncident sur les λ-termes purs. L'égalité correspondante est celle induite par les arbres de Lévy-Longo, généralement considérés comme l'équivalence extensionnelle la plus fine pour les λ-termes en évaluation paresseuse. / In this thesis we deal with the operational behaviours of two quantitative extensions of pure λ-calculus, namely the algebraic λ-calculus and the probabilistic λ-calculus.In the first part, we study the β-reduction theory of the algebraic λ-calculus, a calculus allowing formal finite linear combinations of λ-terms to be expressed. Although the system enjoys the Church-Rosser property, reduction collapses in presence of negative coefficients. We exhibit a solution to the consequent loss of the notion of (unique) normal form, allowing the definition of a partial, but consistent, term equivalence. We then introduce a variant of β-reduction defined on canonical terms only, which we show partially characterises the previously established notion of normal form. In the process, we prove a factorisation theorem.In the second part, we study bisimulation and context equivalence in a λ-calculus endowed with a probabilistic choice. We show a technique for proving congruence of probabilistic applicative bisimilarity. While the technique follows Howe's method, some of the technicalities are quite different, relying on non-trivial "disentangling" properties for sets of real numbers. Finally we show that, while bisimilarity is in general strictly finer than context equivalence, coincidence between the two relations is achieved on pure λ-terms. The resulting equality is that induced by Lévy-Longo trees, generally accepted as the finest extensional equivalence on pure λ-terms under a lazy regime.

Nous présentons des études expérimentales et théoriques de disiliciures alcalino-terreux, le disilane (Si2H6) et du carbone à haute pression. Nous étudions les disiliciures et en particulier le cas d’une phase plane de BaSI2 qui a une structure hexagonale avec des liaisons sp3 entre les atomes de silicium. Cet environnement électronique conduit à un gaufrage de feuilles du silicium. Nous démontrons alors une amélioration de la température de transition supraconductrice de 6 à 8.9 K lorsque les couches de silicium s’aplanissent dans cette structure. Des calculs ab initio basés sur DFT ont guidé la recherche expérimentale et permettent d’expliquer comment les propriétés électroniques et des phonons sont fortement affectés par les fluctuations du flambage des plans de silicium. Nous avons aussi étudié les phases cristallines de disilane à très haute pression et une nouvelle phase métallique est proposé en utilisant les méthodes de prédiction de structure cristalline. Les températures de transition calculées donnant un supraconducteur autour de 20 K à 100 GPa. Ces valeurs sont significativement plus faibles comparées à celles avancées dans la littérature. Finalement, nous présentons des études de structures de carbone à haute pression à travers une recherche de structure systématique. Nous avons trouvé une nouvelle forme allotropique du carbone avec une symétrie Cmmm que nous appelons Z-carbone. Cette phase est prévue pour être plus stable que le graphite pour des pressions supérieures à 10 GPa. Des expériences et simulation de rayon-X et spectre Raman sugèrent l’existence de Z-carbone dans des micro-domaines de graphite sous pression / We present experimental and theoretical studies of sp3 materials, alkaline-earth-metal (AEM) disilicides, disilane (Si2H6) and carbon at high pressure. First, we study the AEM disilicides and in particular the case of a layered phase of BaSi2 which has an hexagonal structure with sp3 bonding of the silicon atoms. This electronic environment leads to a natural corrugated Si-sheets. Extensive ab initio calculations based on DFT guided the experimental research and permit explain how electronic and phonon properties are strongly affected by changes in the buckling of the silicon plans. We demonstrate experimentally and theoretically an enhancement of superconducting transition temperatures from 6 to 8.9 K when silicon planes flatten out in this structure. Second, we investigated the crystal phases of disilane at the megabar range of pressure. A novel metallic phase of disilane is proposed by using crystal structure prediction methods. The calculated transition temperatures yielding a superconducting Tc of around 20 K at 100 GPa and decreasing to 13 K at 220 GPa. These values are significantly smaller than previously predicted Tc’s and put serious drawbacks in the possibility of high-Tc superconductivity based on silicon-hydrogen systems. Third, we studied the sp3-carbon structures at high pressure through a systematic structure search. We found a new allotrope of carbon with Cmmm symmetry which we refer to as Z-carbon. This phase is predicted to be more stable than graphite for pressures above 10 GPa and is formed by sp3-bonds. Experimental and simulated XRD, Raman spectra suggest the existence of Z-carbon in micro-domains of graphite under pressure

Doctorat en sciences psychologiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished