Nous nous intéressons à la résolution de systèmes linéaires creux de très grande taille sur des machines parallèles. Dans ce contexte, la mémoire est un facteur qui limite voire empêche souvent l'utilisation de solveurs directs, notamment ceux basés sur la méthode multifrontale. Cette étude se concentre sur les problèmes de mémoire et de performance des deux phases des méthodes directes les plus coûteuses en mémoire et en temps : la factorisation numérique et la résolution triangulaire. Dans une première partie nous nous intéressons à la phase de résolution à seconds membres creux, puis, dans une seconde partie, nous nous intéressons à la scalabilité mémoire de la factorisation multifrontale. La première partie de cette étude se concentre sur la résolution triangulaire à seconds membres creux, qui apparaissent dans de nombreuses applications. En particulier, nous nous intéressons au calcul d'entrées de l'inverse d'une matrice creuse, où les seconds membres et les vecteurs solutions sont tous deux creux. Nous présentons d'abord plusieurs schémas de stockage qui permettent de réduire significativement l'espace mémoire utilisé lors de la résolution, dans le cadre d'exécutions séquentielles et parallèles. Nous montrons ensuite que la façon dont les seconds membres sont regroupés peut fortement influencer la performance et nous considérons deux cadres différents : le cas "hors-mémoire" (out-of-core) où le but est de réduire le nombre d'accès aux facteurs stockés sur disque, et le cas "en mémoire" (in-core) où le but est de réduire le nombre d'opérations. Finalement, nous montrons comment améliorer le parallélisme. Dans la seconde partie, nous nous intéressons à la factorisation multifrontale parallèle. Nous montrons tout d'abord que contrôler la mémoire active spécifique à la méthode multifrontale est crucial, et que les techniques de "répartition" (mapping) classiques ne peuvent fournir une bonne scalabilité mémoire : le coût mémoire de la factorisation augmente fortement avec le nombre de processeurs. Nous proposons une classe d'algorithmes de répartition et d'ordonnancement "conscients de la mémoire" (memory-aware) qui cherchent à maximiser la performance tout en respectant une contrainte mémoire fournie par l'utilisateur. Ces techniques ont révélé des problèmes de performances dans certains des noyaux parallèles denses utilisés à chaque étape de la factorisation, et nous avons proposé plusieurs améliorations algorithmiques. Les idées présentées tout au long de cette étude ont été implantées dans le solveur MUMPS (Solveur MUltifrontal Massivement Parallèle) et expérimentées sur des matrices de grande taille (plusieurs dizaines de millions d'inconnues) et sur des machines massivement parallèles (jusqu'à quelques milliers de coeurs). Elles ont permis d'améliorer les performances et la robustesse du code et seront disponibles dans une prochaine version. Certaines des idées présentées dans la première partie ont également été implantées dans le solveur PDSLin (solveur linéaire hybride basé sur une méthode de complément de Schur).

La faisabilité d'un réacteur à enzyme malolactique pour effectuer et contrôler la fermentation malolactique (FML) des vins est étudiée. Des bactéries lactiques du vin, <i>Leuconostoc oenos</I> 84-06, sont cultivées en fermenteur de 10 litres, sur un milieu induisant la. fabrication de l'enzyme malolactique. La production d'enzyme est de 0,5 à 0,7 U/ml de milieu de culture, en 60 heures. L'enzyme malolactique est extraite par désintégration des bactéries aux ultrasons. Après action de la DNase 1 et précipitations au sulfate d'ammonium à 35% puis à 70%, l'extrait est filtré sur une colonne de chromatographie d'ultrogel AcA 34. L'enzyme obtenue a une activité spécifique de 8,9 U/mg ; elle a été purifiée à 3,3 fois avec un rendement de 75%. Sa masse moléculaire relative est d'environ 132 000, son point isoélectrique se situe à pH 4,35 et son pH optimum d'activité est de 5,5. Cette enzyme est utilisée pour fabriquer le réacteur (demande de brevet Français No 13131, déposée le 16 octobre 1990). Il s'agit d'un module d'ultrafiltration en fibres creuses de polyamide composé de deux circuits. Dans le circuit interne, le NAD est fixé et l'enzyme circule librement dans un milieu à pH 6 (milieu synthétique ou vin). Le milieu à traiter (milieu synthétique ou vin à pH 3) circule dans le circuit externe. Après passage dans le réacteur d'un milieu synthétique, le rendement de la FML est de 80% à 95% pendant 3 jours. Avec le vin, le rendement est de 50% à 60%. Nous avons montré que la FML des vins est maintenant techniquement réalisable avec un réacteur à enzyme malolactique et NAD. Il faut optimiser chaque étape de façon à pouvoir appliquer cette technique à la FML en continu pour de plus grandes quantités de vin.

Nous considérons la résolution de très grands systèmes linéaires creux à l'aide d'une méthode de factorisation directe appelée méthode multifrontale. Bien que numériquement robustes et faciles à utiliser (elles ne nécessitent que des informations algébriques : la matrice d'entrée A et le second membre b, même si elles peuvent exploiter des stratégies de prétraitement basées sur des informations géométriques), les méthodes directes sont très coûteuses en termes de mémoire et d'opérations, ce qui limite leur applicabilité à des problèmes de taille raisonnable (quelques millions d'équations). Cette étude se concentre sur l'exploitation des approximations de rang-faible dans la méthode multifrontale, pour réduire sa consommation mémoire et son volume d'opérations, dans des environnements séquentiel et à mémoire distribuée, sur une large classe de problèmes. D'abord, nous examinons les formats rang-faible qui ont déjà été développé pour représenter efficacement les matrices denses et qui ont été utilisées pour concevoir des solveurs rapides pour les équations aux dérivées partielles, les équations intégrales et les problèmes aux valeurs propres. Ces formats sont hiérarchiques (les formats H et HSS sont les plus répandus) et il a été prouvé, en théorie et en pratique, qu'ils permettent de réduire substantiellement les besoins en mémoire et opération des calculs d'algèbre linéaire. Cependant, de nombreuses contraintes structurelles sont imposées sur les problèmes visés, ce qui peut limiter leur efficacité et leur applicabilité aux solveurs multifrontaux généraux. Nous proposons un format plat appelé Block Rang-Faible (BRF) basé sur un découpage naturel de la matrice en blocs et expliquons pourquoi il fournit toute la flexibilité nécéssaire à son utilisation dans un solveur multifrontal général, en terme de pivotage numérique et de parallélisme. Nous comparons le format BRF avec les autres et montrons que le format BRF ne compromet que peu les améliorations en mémoire et opération obtenues grâce aux approximations rang-faible. Une étude de stabilité montre que les approximations sont bien contrôlées par un paramètre numérique explicite appelé le seuil rang-faible, ce qui est critique dans l'optique de résoudre des systèmes linéaires creux avec précision. Ensuite, nous expliquons comment les factorisations exploitant le format BRF peuvent être efficacement implémentées dans les solveurs multifrontaux. Nous proposons plusieurs algorithmes de factorisation BRF, ce qui permet d'atteindre différents objectifs. Les algorithmes proposés ont été implémentés dans le solveur multifrontal MUMPS. Nous présentons tout d'abord des expériences effectuées avec des équations aux dérivées partielles standardes pour analyser les principales propriétés des algorithmes BRF et montrer le potentiel et la flexibilité de l'approche ; une comparaison avec un code basé sur le format HSS est également fournie. Ensuite, nous expérimentons le format BRF sur des problèmes variés et de grande taille (jusqu'à une centaine de millions d'inconnues), provenant de nombreuses applications industrielles. Pour finir, nous illustrons l'utilisation de notre approche en tant que préconditionneur pour la méthode du Gradient Conjugué. / We consider the solution of large sparse linear systems by means of direct factorization based on a multifrontal approach. Although numerically robust and easy to use (it only needs algebraic information: the input matrix A and a right-hand side b, even if it can also digest preprocessing strategies based on geometric information), direct factorization methods are computationally intensive both in terms of memory and operations, which limits their scope on very large problems (matrices with up to few hundred millions of equations). This work focuses on exploiting low-rank approximations on multifrontal based direct methods to reduce both the memory footprints and the operation count, in sequential and distributed-memory environments, on a wide class of problems. We first survey the low-rank formats which have been previously developed to efficiently represent dense matrices and have been widely used to design fast solutions of partial differential equations, integral equations and eigenvalue problems. These formats are hierarchical (H and Hierarchically Semiseparable matrices are the most common ones) and have been (both theoretically and practically) shown to substantially decrease the memory and operation requirements for linear algebra computations. However, they impose many structural constraints which can limit their scope and efficiency, especially in the context of general purpose multifrontal solvers. We propose a flat format called Block Low-Rank (BLR) based on a natural blocking of the matrices and explain why it provides all the flexibility needed by a general purpose multifrontal solver in terms of numerical pivoting for stability and parallelism. We compare BLR format with other formats and show that BLR does not compromise much the memory and operation improvements achieved through low-rank approximations. A stability study shows that the approximations are well controlled by an explicit numerical parameter called low-rank threshold, which is critical in order to solve the sparse linear system accurately. Details on how Block Low-Rank factorizations can be efficiently implemented within multifrontal solvers are then given. We propose several Block Low-Rank factorization algorithms which allow for different types of gains. The proposed algorithms have been implemented within the MUMPS (MUltifrontal Massively Parallel Solver) solver. We first report experiments on standard partial differential equations based problems to analyse the main features of our BLR algorithms and to show the potential and flexibility of the approach; a comparison with a Hierarchically SemiSeparable code is also given. Then, Block Low-Rank formats are experimented on large (up to a hundred millions of unknowns) and various problems coming from several industrial applications. We finally illustrate the use of our approach as a preconditioning method for the Conjugate Gradient.

L'objectif de cette thèse étudie puis d’implémenter une méthode de reconstruction sur la tomographie aux rayons X qui permette de scanner des gros échantillons avec une bonne résolution qui permettrait de scanner l’intérieur d’un cylindre(tomographie locale) et caractériser des matériaux réels. Notre méthode peut être réalisé pour améliorer la quantitative et la qualitative d'image de fantôme. Dans cette thèse, cet méthode est utilisé sue les matériaux cellulaires. Nous avons réalisé des essais in situ en tomographie aux rayons X sur le mousse ERG et les sphères creuses. Un comparaison entre les résultats d’Élément Finis et des essais réels montre le mécanisme d'endommagement de ces matériaux. / The objective of this thesis studies to implement a method of reconstruction of the X-ray tomography that scanner a large samples with good resolution that would scan inside a cylinder (local tomography) and characterize reals materials. Our method can be done to improve the quantitative and qualitative picture of a ghost. In this thesis, this method is used sue the cellular materials. We conducted tests in situ X-ray tomography on the ERG foam and hollow spheres. A comparison between the results of Finite Element and live testing shows the damage mechanism of these materials.

Le modèle de Blacket Scholes reste le modèle de référence sur les marchés des dérivés. Sa parcimonie et sa maniabilité sont certes attractives. Il ne faut cependant pas perdre de vue les hypothèses restrictives, voire simplistes, qui lui servent de base et qui limitent sa capacité à reproduire la dynamique du marché. Afin de refléter un peu mieux cette dynamique, nous introduisons un modèle d’évaluation des options à changement de régime avec sauts. Sous ce modèle, l’hypothèse de complétude des marchés n’est plus valable. Les sources d’incertitude sont plus nombreuses que les instruments disponibles à la couverture. On ne parle plus de réplication/couverture parfaite mais plutôt de réplication optimale dans un sens à définir. Dans cette thèse, on suppose que le marché peut être décrit par plusieurs «régimes» (ou encore par des «modes») re?étant l’état de l’économie, le comportement général des investisseurs et leurs tendances. Pour chacun de ces régimes, le sous-jacent est caractérisé par un niveau de volatilité et de rendement donné. Avec en plus, et a priori des discontinuités du prix du sous-jacent à chaque fois qu’une transition d’un régime à un autre a lieu. La thèse comprend trois parties: 1.Modélisation du problème et application de la théorie du contrôle stochastique. Par l’utilisation du principe de programmation dynamique et la considération des différents régimes de marché, on aboutit à un système de M (le nombre de régimes) équations de Hamilton Jacobi Bellman «HJB» couplées. 2.La résolution numérique de l’équation HJB pour l’évolution d’options, par différences finies généralisées. 3.L’estimation des paramètres du modèle par un filtre récursif, qui produit une estimation récursive d’un état inconnu au vu d’observation bruitée supposée continue, dans le cas où l’état inconnu serait modélisé par une chaîne de Markov à temps discret et espace d’état fini. / Abstract

Nous nous intéressons à la résolution de systèmes linéaires creux de très grande taille par des méthodes directes de factorisation. Dans ce contexte, la taille de la matrice des facteurs constitue un des facteurs limitants principaux pour l'utilisation de méthodes directes de résolution. Nous supposons donc que la matrice des facteurs est de trop grande taille pour être rangée dans la mémoire principale du multiprocesseur et qu'elle a donc été écrite sur les disques locaux (hors-mémoire : OOC) d'une machine multiprocesseurs durant l'étape de factorisation. Nous nous intéressons à l'étude et au développement de techniques efficaces pour la phase de résolution après une factorization multifrontale creuse. La phase de résolution, souvent négligée dans les travaux sur les méthodes directes de résolution directe creuse, constitue alors un point critique de la performance de nombreuses applications scientifiques, souvent même plus critique que l'étape de factorisation. Cette thèse se compose de deux parties. Dans la première partie nous nous proposons des algorithmes pour améliorer la performance de la résolution hors-mémoire. Dans la deuxième partie nous pousuivons ce travail en montrant comment exploiter la nature creuse des seconds membres pour réduire le volume de données accédées en mémoire. Dans la première partie de cette thèse nous introduisons deux approches de lecture des données sur le disque dur. Nous montrons ensuite que dans un environnement parallèle le séquencement des tâches peut fortement influencer la performance. Nous prouvons qu'un ordonnancement contraint des tâches peut être introduit; qu'il n'introduit pas d'interblocage entre processus et qu'il permet d'améliorer les performances. Nous conduisons nos expériences sur des problèmes industriels de grande taille (plus de 8 Millions d'inconnues) et utilisons une version hors-mémoire d'un code multifrontal creux appelé MUMPS (solveur multifrontal parallèle). Dans la deuxième partie de ce travail nous nous intéressons au cas de seconds membres creux multiples. Ce problème apparaît dans des applications en electromagnétisme et en assimilation de données et résulte du besoin de calculer l'espace propre d'une matrice fortement déficiente, du calcul d'éléments de l'inverse de la matrice associée aux équations normales pour les moindres carrés linéaires ou encore du traitement de matrices fortement réductibles en programmation linéaire. Nous décrivons un algorithme efficace de réduction du volume d'Entrées/Sorties sur le disque lors d'une résolution hors-mémoire. Plus généralement nous montrons comment le caractère creux des seconds -membres peut être exploité pour réduire le nombre d'opérations et le nombre d'accès à la mémoire lors de l'étape de résolution. Le travail présenté dans cette thèse a été partiellement financé par le projet SOLSTICE de l'ANR (ANR-06-CIS6-010). / We consider the solution of very large systems of linear equations with direct multifrontal methods. In this context the size of the factors is an important limitation for the use of sparse direct solvers. We will thus assume that the factors have been written on the local disks of our target multiprocessor machine during parallel factorization. Our main focus is the study and the design of efficient approaches for the forward and backward substitution phases after a sparse multifrontal factorization. These phases involve sparse triangular solution and have often been neglected in previous works on sparse direct factorization. In many applications, however, the time for the solution can be the main bottleneck for the performance. This thesis consists of two parts. The focus of the first part is on optimizing the out-of-core performance of the solution phase. The focus of the second part is to further improve the performance by exploiting the sparsity of the right-hand side vectors. In the first part, we describe and compare two approaches to access data from the hard disk. We then show that in a parallel environment the task scheduling can strongly influence the performance. We prove that a constraint ordering of the tasks is possible; it does not introduce any deadlock and it improves the performance. Experiments on large real test problems (more than 8 million unknowns) using an out-of-core version of a sparse multifrontal code called MUMPS (MUltifrontal Massively Parallel Solver) are used to analyse the behaviour of our algorithms. In the second part, we are interested in applications with sparse multiple right-hand sides, particularly those with single nonzero entries. The motivating applications arise in electromagnetism and data assimilation. In such applications, we need either to compute the null space of a highly rank deficient matrix or to compute entries in the inverse of a matrix associated with the normal equations of linear least-squares problems. We cast both of these problems as linear systems with multiple right-hand side vectors, each containing a single nonzero entry. We describe, implement and comment on efficient algorithms to reduce the input-output cost during an outof- core execution. We show how the sparsity of the right-hand side can be exploited to limit both the number of operations and the amount of data accessed. The work presented in this thesis has been partially supported by SOLSTICE ANR project (ANR-06-CIS6-010).

Dans le contexte actuel, il y a un besoin évident de techniques de fouille de textes pour analyser l'énorme quantité de documents textuelles non structurées disponibles sur Internet. Ces données textuelles sont souvent représentées par des matrices creuses (sparses) de grande dimension où les lignes et les colonnes représentent respectivement des documents et des termes. Ainsi, il serait intéressant de regrouper de façon simultanée ces termes et documents en classes homogènes, rendant ainsi cette quantité importante de données plus faciles à manipuler et à interpréter. Les techniques de classification croisée servent justement cet objectif. Bien que plusieurs techniques existantes de co-clustering ont révélé avec succès des blocs homogènes dans plusieurs domaines, ces techniques sont toujours contraintes par la grande dimensionalité et la sparsité caractérisant les matrices documents-termes. En raison de cette sparsité, plusieurs co-clusters sont principalement composés de zéros. Bien que ces derniers soient homogènes, ils ne sont pas pertinents et doivent donc être filtrés en aval pour ne garder que les plus importants. L'objectif de cette thèse est de proposer de nouveaux algorithmes de co-clustering conçus pour tenir compte des problèmes liés à la sparsité mentionnés ci-dessus. Ces algorithmes cherchent une structure diagonale par blocs et permettent directement d'identifier les co-clusters les plus pertinents, ce qui les rend particulièrement efficaces pour le co-clustering de données textuelles. Dans ce contexte, nos contributions peuvent être résumées comme suit: Tout d'abord, nous introduisons et démontrons l'efficacité d'un nouvel algorithme de co-clustering basé sur la maximisation directe de la modularité de graphes. Alors que les algorithmes de co-clustering existants qui se basent sur des critères de graphes utilisent des approximations spectrales, l'algorithme proposé utilise une procédure d'optimisation itérative pour révéler les co-clusters les plus pertinents dans une matrice documents-termes. Par ailleurs, l'optimisation proposée présente l'avantage d'éviter le calcul de vecteurs propres, qui est une tâche rédhibitoire lorsque l'on considère des données de grande dimension. Ceci est une amélioration par rapport aux approches spectrales, où le calcul des vecteurs propres est nécessaire pour effectuer le co-clustering. Dans un second temps, nous utilisons une approche probabiliste pour découvrir des structures en blocs homogènes diagonaux dans des matrices documents-termes. Nous nous appuyons sur des approches de type modèles de mélanges, qui offrent de solides bases théoriques et une grande flexibilité qui permet de découvrir diverses structures de co-clusters. Plus précisément, nous proposons un modèle de blocs latents parcimonieux avec des distributions de Poisson sous contraintes. De façon intéressante, ce modèle comprend la sparsité dans sa formulation, ce qui le rend particulièrement adapté aux données textuelles. En plaçant l'estimation des paramètres de ce modèle dans le cadre du maximum de vraisemblance et du maximum de vraisemblance classifiante, quatre algorithmes de co-clustering ont été proposées, incluant une variante dure, floue, stochastique et une quatrième variante qui tire profit des avantages des variantes floue et stochastique simultanément. Pour finir, nous proposons un nouveau cadre de fouille de textes biomédicaux qui comprend certains algorithmes de co-clustering mentionnés ci-dessus. Ce travail montre la contribution du co-clustering dans une problématique réelle de fouille de textes biomédicaux. Le cadre proposé permet de générer de nouveaux indices sur les résultats retournés par les études d'association pan-génomique (GWAS) en exploitant les abstracts de la base de données PUBMED. (...) / In the current context, there is a clear need for Text Mining techniques to analyse the huge quantity of unstructured text documents available on the Internet. These textual data are often represented by sparse high dimensional matrices where rows and columns represent documents and terms respectively. Thus, it would be worthwhile to simultaneously group these terms and documents into meaningful clusters, making this substantial amount of data easier to handle and interpret. Co-clustering techniques just serve this purpose. Although many existing co-clustering approaches have been successful in revealing homogeneous blocks in several domains, these techniques are still challenged by the high dimensionality and sparsity characteristics exhibited by document-term matrices. Due to this sparsity, several co-clusters are primarily composed of zeros. While homogeneous, these co-clusters are irrelevant and must be filtered out in a post-processing step to keep only the most significant ones. The objective of this thesis is to propose new co-clustering algorithms tailored to take into account these sparsity-related issues. The proposed algorithms seek a block diagonal structure and allow to straightaway identify the most useful co-clusters, which makes them specially effective for the text co-clustering task. Our contributions can be summarized as follows: First, we introduce and demonstrate the effectiveness of a novel co-clustering algorithm based on a direct maximization of graph modularity. While existing graph-based co-clustering algorithms rely on spectral relaxation, the proposed algorithm uses an iterative alternating optimization procedure to reveal the most meaningful co-clusters in a document-term matrix. Moreover, the proposed optimization has the advantage of avoiding the computation of eigenvectors, a task which is prohibitive when considering high dimensional data. This is an improvement over spectral approaches, where the eigenvectors computation is necessary to perform the co-clustering. Second, we use an even more powerful approach to discover block diagonal structures in document-term matrices. We rely on mixture models, which offer strong theoretical foundations and considerable flexibility that makes it possible to uncover various specific cluster structure. More precisely, we propose a rigorous probabilistic model based on the Poisson distribution and the well known Latent Block Model. Interestingly, this model includes the sparsity in its formulation, which makes it particularly effective for text data. Setting the estimate of this model’s parameters under the Maximum Likelihood (ML) and the Classification Maximum Likelihood (CML) approaches, four co-clustering algorithms have been proposed, including a hard, a soft, a stochastic and a fourth algorithm which leverages the benefits of both the soft and stochastic variants, simultaneously. As a last contribution of this thesis, we propose a new biomedical text mining framework that includes some of the above mentioned co-clustering algorithms. This work shows the contribution of co-clustering in a real biomedical text mining problematic. The proposed framework is able to propose new clues about the results of genome wide association studies (GWAS) by mining PUBMED abstracts. This framework has been tested on asthma disease and allowed to assess the strength of associations between asthma genes reported in previous GWAS as well as discover new candidate genes likely associated to asthma. In a nutshell, while several text co-clustering algorithms already exist, their performance can be substantially increased if more appropriate models and algorithms are available. According to the extensive experiments done on several challenging real-world text data sets, we believe that this thesis has served well this objective.

Nous nous intéressons à la résolution en parallèle de système d’équations linéaires creux et de large taille. Le calcul de la solution d’un tel type de système requiert un grand espace mémoire et une grande puissance de calcul. Il existe deux principales méthodes de résolution de systèmes linéaires. Soit la méthode est directe et de ce fait est rapide et précise, mais consomme beaucoup de mémoire. Soit elle est itérative, économe en mémoire, mais assez lente à atteindre une solution de qualité suffisante. Notre travail consiste à combiner ces deux techniques pour créer un solveur hybride efficient en consommation mémoire tout en étant rapide et robuste. Nous essayons ensuite d’améliorer ce solveur en introduisant une nouvelle méthode pseudo directe qui contourne certains inconvénients de la méthode précédente. Dans les premiers chapitres nous examinons les méthodes de projections par lignes, en particulier la méthode Cimmino en bloc, certains de leurs aspects numériques et comment ils affectent la convergence. Ensuite, nous analyserons l’accélération de ces techniques avec la méthode des gradients conjugués et comment cette accélération peut être améliorée avec une version en bloc du gradient conjugué. Nous regarderons ensuite comment le partitionnement du système linéaire affecte lui aussi la convergence et comment nous pouvons améliorer sa qualité. Finalement, nous examinerons l’implantation en parallèle du solveur hybride, ses performances ainsi que les améliorations possible. Les deux derniers chapitres introduisent une amélioration à ce solveur hybride, en améliorant les propriétés numériques du système linéaire, de sorte à avoir une convergence en une seule itération et donc un solveur pseudo direct. Nous commençons par examiner les propriétés numériques du système résultants, analyser la solution parallèle et comment elle se comporte face au solveur hybride et face à un solveur direct. Finalement, nous introduisons de possible amélioration au solveur pseudo direct. Ce travail a permis d’implanter un solveur hybride "ABCD solver" (Augmented Block Cimmino Distributed solver) qui peut soit fonctionner en mode itératif ou en mode pseudo direct. / We are interested in solving large sparse systems of linear equations in parallel. Computing the solution of such systems requires a large amount of memory and computational power. The two main ways to obtain the solution are direct and iterative approaches. The former achieves this goal fast but with a large memory footprint while the latter is memory friendly but can be slow to converge. In this work we try first to combine both approaches to create a hybrid solver that can be memory efficient while being fast. Then we discuss a novel approach that creates a pseudo-direct solver that compensates for the drawback of the earlier approach. In the first chapters we take a look at row projection techniques, especially the block Cimmino method and examine some of their numerical aspects and how they affect the convergence. We then discuss the acceleration of convergence using conjugate gradients and show that a block version improves the convergence. Next, we see how partitioning the linear system affects the convergence and show how to improve its quality. We finish by discussing the parallel implementation of the hybrid solver, discussing its performance and seeing how it can be improved. The last two chapters focus on an improvement to this hybrid solver. We try to improve the numerical properties of the linear system so that we converge in a single iteration which results in a pseudo-direct solver. We first discuss the numerical properties of the new system, see how it works in parallel and see how it performs versus the iterative version and versus a direct solver. We finally consider some possible improvements to the solver. This work led to the implementation of a hybrid solver, our "ABCD solver" (Augmented Block Cimmino Distributed solver), that can either work in a fully iterative mode or in a pseudo-direct mode.

En électromagnétisme les structures périodiques suscitent un grand intérêt. Ces structures agissent ainsi comme des filtres fréquentiels et permettent la fabrication de méta-matériaux, composites et artificiels. Elles présentent des propriétés électromagnétiques inédites pour les matériaux naturels telles que des bandes interdites. On a ainsi pu fabriquer de nouveaux dispositifs permettant de guider, de focaliser ou de stopper la propagation. C'est par exemple utile pour éviter le couplage entre différents éléments rayonnants notamment via la caractérisation des ondes de surface qui se propagent à l'interface entre l'air et la structure périodique. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce contexte et propose une description de la méthode des éléments finis dédiée à la caractérisation des structures périodiques. La modélisation numérique aboutit à des problèmes de valeurs propres de grandes tailles. Elle implique la résolution de systèmes linéaires composés de matrices creuses. Une méthode est abordée pour résoudre ce type de problème, en optimisant et combinant différents algorithmes. Avant d'aborder les différents aspects de la méthode développée, nous établissons une liste exhaustive de l'ensemble des méthodes qui existent en énonçant leurs avantages et leurs inconvénients. Nous constatons notamment que la méthode des éléments finis permet de traiter un large éventail de structures périodiques en trois dimensions sans limitation sur leur forme géométrique. Nous présentons alors les différentes formulations de cette méthode. Ensuite les aspects algorithmiques de la méthode sont détaillés. Nous montrons notamment qu'une analyse des paramètres de résolution permet de préciser les interprétations physiques des résultats obtenus. Finalement nous présentons les performances de notre outil sur des cas d'applications issus de la littérature et nous abordons la caractérisation des ondes de surface. Pour cela, l'étude d'un réseau d'antennes patchs insérées dans des cavités métalliques est conduite. Notons pour conclure que les études conduites au cours de cette thèse ont abouti à la production d'un code utilisable dans un environnement de calcul initialement présent à l'ONERA.

Nous nous intéressons à l'utilisation d'approximations de rang faible pour réduire le coût des solveurs creux directs multifrontaux. Parmi les différents formats matriciels qui ont été proposés pour exploiter la propriété de rang faible dans les solveurs multifrontaux, nous nous concentrons sur le format Block Low-Rank (BLR) dont la simplicité et la flexibilité permettent de l'utiliser facilement dans un solveur multifrontal algébrique et généraliste. Nous présentons différentes variantes de la factorisation BLR, selon comment les mises à jour de rang faible sont effectuées, et comment le pivotage numérique est géré. D'abord, nous étudions la complexité théorique du format BLR qui, contrairement à d'autres formats comme les formats hiérarchiques, était inconnue jusqu'à présent. Nous prouvons que la complexité théorique de la factorisation multifrontale BLR est asymptotiquement inférieure à celle du solveur de rang plein. Nous montrons ensuite comment les variantes BLR peuvent encore réduire cette complexité. Nous étayons nos bornes de complexité par une étude expérimentale. Après avoir montré que les solveurs multifrontaux BLR peuvent atteindre une faible complexité, nous nous intéressons au problème de la convertir en gains de performance réels sur les architectures modernes. Nous présentons d'abord une factorisation BLR multithreadée, et analysons sa performance dans des environnements multicœurs à mémoire partagée. Nous montrons que les variantes BLR sont cruciales pour exploiter efficacement les machines multicœurs en améliorant l'intensité arithmétique et la scalabilité de la factorisation. Nous considérons ensuite à la factorisation BLR sur des architectures à mémoire distribuée. Les algorithmes présentés dans cette thèse ont été implémentés dans le solveur MUMPS. Nous illustrons l'utilisation de notre approche dans trois applications industrielles provenant des géosciences et de la mécanique des structures. Nous comparons également notre solveur avec STRUMPACK, basé sur des approximations Hierarchically Semi-Separable. Nous concluons cette thèse en rapportant un résultat sur un problème de très grande taille (130 millions d'inconnues) qui illustre les futurs défis posés par le passage à l'échelle des solveurs multifrontaux BLR. / We investigate the use of low-rank approximations to reduce the cost of sparse direct multifrontal solvers. Among the different matrix representations that have been proposed to exploit the low-rank property within multifrontal solvers, we focus on the Block Low-Rank (BLR) format whose simplicity and flexibility make it easy to use in a general purpose, algebraic multifrontal solver. We present different variants of the BLR factorization, depending on how the low-rank updates are performed and on the constraints to handle numerical pivoting. We first investigate the theoretical complexity of the BLR format which, unlike other formats such as hierarchical ones, was previously unknown. We prove that the theoretical complexity of the BLR multifrontal factorization is asymptotically lower than that of the full-rank solver. We then show how the BLR variants can further reduce that complexity. We provide an experimental study with numerical results to support our complexity bounds. After proving that BLR multifrontal solvers can achieve a low complexity, we turn to the problem of translating that low complexity in actual performance gains on modern architectures. We first present a multithreaded BLR factorization, and analyze its performance in shared-memory multicore environments on a large set of real-life problems. We put forward several algorithmic properties of the BLR variants necessary to efficiently exploit multicore systems by improving the arithmetic intensity and the scalability of the BLR factorization. We then move on to the distributed-memory BLR factorization, for which additional challenges are identified and addressed. The algorithms presented throughout this thesis have been implemented within the MUMPS solver. We illustrate the use of our approach in three industrial applications coming from geosciences and structural mechanics. We also compare our solver with the STRUMPACK package, based on Hierarchically Semi-Separable approximations. We conclude this thesis by reporting results on a very large problem (130 millions of unknowns) which illustrates future challenges posed by BLR multifrontal solvers at scale.