Au cours des dernières années, l'informatique “green” est devenue un sujet important dans le calcul intensif. Cependant, les plates-formes informatiques continuent de consommer de plus en plus d'énergie en raison de l'augmentation du nombre de noeuds qui les composent. Afin de minimiser les coûts d'exploitation de ces plates-formes de nombreuses techniques ont été étudiées, parmi celles-ci, il y a le changement de la fréquence dynamique des processeurs (DVFS en anglais). Il permet de réduire la consommation d'énergie d'un CPU, en abaissant sa fréquence. Cependant, cela augmente le temps d'exécution de l'application. Par conséquent, il faut trouver un seuil qui donne le meilleur compromis entre la consommation d'énergie et la performance d'une application. Cette thèse présente des algorithmes développés pour optimiser la consommation d'énergie et les performances des applications parallèles avec des itérations synchrones et asynchrones sur des clusters ou des grilles. Les modèles de consommation d'énergie et de performance proposés pour chaque type d'application parallèle permettent de prédire le temps d'exécution et la consommation d'énergie d'une application pour toutes les fréquences disponibles.La contribution de cette thèse peut être divisé en trois parties. Tout d'abord, il s'agit d'optimiser le compromis entre la consommation d'énergie et les performances des applications parallèles avec des itérations synchrones sur des clusters homogènes. Deuxièmement, nous avons adapté les modèles de performance énergétique aux plates-formes hétérogènes dans lesquelles chaque noeud peut avoir des spécifications différentes telles que la puissance de calcul, la consommation d'énergie, différentes fréquences de fonctionnement ou encore des latences et des bandes passantes réseaux différentes. L'algorithme d'optimisation de la fréquence CPU a également été modifié en fonction de l'hétérogénéité de la plate-forme. Troisièmement, les modèles et l'algorithme d'optimisation de la fréquence CPU ont été complètement repensés pour prendre en considération les spécificités des algorithmes itératifs asynchrones.Tous ces modèles et algorithmes ont été appliqués sur des applications parallèles utilisant la bibliothèque MPI et ont été exécutés avec le simulateur Simgrid ou sur la plate-forme Grid'5000. Les expériences ont montré que les algorithmes proposés sont plus efficaces que les méthodes existantes. Ils n’introduisent qu’un faible surcoût et ne nécessitent pas de profilage au préalable car ils sont exécutés au cours du déroulement de l’application. / In recent years, green computing has become an important topic in the supercomputing research domain. However, the computing platforms are still consuming more and more energy due to the increase in the number of nodes composing them. To minimize the operating costs of these platforms many techniques have been used. Dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) is one of them. It can be used to reduce the power consumption of the CPU while computing, by lowering its frequency. However, lowering the frequency of a CPU may increase the execution time of the application running on that processor. Therefore, the frequency that gives the best trade-off between the energy consumption and the performance of an application must be selected.This thesis, presents the algorithms developed to optimize the energy consumption and theperformance of synchronous and asynchronous message passing applications with iterations runningover clusters or grids. The energy consumption and performance models for each type of parallelapplication predicts its execution time and energy consumption for any selected frequency accordingto the characteristics of both the application and the architecture executing this application.The contribution of this thesis can be divided into three parts: Firstly, optimizing the trade-offbetween the energy consumption and the performance of the message passing applications withsynchronous iterations running over homogeneous clusters. Secondly, adapting the energy andperformance models to heterogeneous platforms where each node can have different specificationssuch as computing power, energy consumption, available frequency gears or network’s latency andbandwidth. The frequency scaling algorithm was also modified to suit the heterogeneity of theplatform. Thirdly, the models and the frequency scaling algorithm were completely rethought to takeinto considerations the asynchronism in the communication and computation. All these models andalgorithms were applied to message passing applications with iterations and evaluated over eitherSimGrid simulator or Grid’5000 platform. The experiments showed that the proposed algorithms areefficient and outperform existing methods such as the energy and delay product. They also introducea small runtime overhead and work online without any training or profiling.

Le bois est en général étudié comme un matériau orthotrope et homogène, mais en réalité il existe des gradients de propriétés mécaniques et physiques dans chaque direction. En effet, le bois est constitué d’une alternance de cernes annuels de croissance constitués de bois d’été, de printemps et de transition. Ces cernes sont plus réguliers dans la plupart des résineux que dans les feuillus. Dans le présent document, on s’intéresse à l’étude et à l’identification des propriétés de diffusion hydrique d’un résineux à l’échelle du cerne, le sapin blanc du Massif Central. Une telle étude nécessite l’utilisation d’une technique de mesure de champ sans contact, ici la méthode de la grille. Cette dernière offre la possibilité d’observer l’hétérogénéité du bois à l’échelle du cerne avec des champs de déformations. Elle permet donc d’obtenir la réponse sous sollicitations hydriques des bois d’été et de printemps. Cette technique de mesure est couplée à une méthode d’identification inverse des paramètres de comportement hydrique que nous avons mise en place. Elle permet d’obtenir les coefficients de diffusion des bois d’été et de printemps dans la direction tangentielle de diffusion, ainsi que leurs coefficients d’expansion hydrique dans la direction radiale à partir des cartes de déformations obtenues par la méthode de la grille. La méthode de la grille est également utilisée pour l’étude du comportement du bois sous environnement constant ou variable, et sous contrainte mécanique de compression radiale. Des méthodes d’identification sont également proposées afin de déterminer les propriétés mécaniques selon la direction radiale du bois à l’échelle du cerne, ceci à partir des cartes de déformation. / Wood is generally studied as an orthotropic and homogeneous material, but in reality there are gradients of mechanical and physical properties in each direction. Indeed, wood consists of summer and spring woods which manifest annual growth rings. These latter are more regular in most of softwoods than in hardwoods. In this paper, we are interested in studying and identifying the properties of a resinous under water diffusion, namely the white fir of the Massif Central. This study requires the use of a contacless full-field measurement technique. The grid method is used here. This latter offers the opportunity to observe the heterogeneity of wood at the ring scale through the strain fields. It thus provides the response of latewood and earlywood under water stress. This measurement technique is coupled with an inverse method to identify the water behavior parameters. This inverse method provides latewood and earlywood diffusion coefficients along the tangential diffusion direction, as well as their coefficients of expansion in the radial direction from the strain maps. The grid method is also used to study the behavior of wood under constant or variable environment when it is subjected to radial compression. Some identification methods are also proposed to determine from the deformation maps the mechanical properties along the radial direction of wood at the ring scale.

La perméabilisation des cellules à l’aide d’impulsions électriques intenses, appelée électroperméabilisation, est un phénomène biologique impliqué dans des thérapies anticancéreuses récentes. Elle permet, par exemple, d’améliorer l’efficacité d’une chimiothérapie en diminuant les effets secondaires, d’effectuer des transferts de gènes, ou encore de procéder à l’ablation de tumeurs. Les mécanismes de l’électroperméabilisation restent cependant encore méconnus, et l’hypothèse majoritairement admise par la communauté de formation de pores à la surface des membranes cellulaires est en contradiction avec certains résultats expérimentaux.Le travail de modélisation proposé dans cette thèse est basé sur une approche différente des modèles d’électroporation existants. Au lieu de proposer des lois sur les propriétés des membranes à partir d’hypothèses à l’échelle moléculaire, nous établissons des lois ad hoc pour les décrire, en se basant uniquement sur les informations expérimentales disponibles. Aussi, afin de rester au plus prèsde ces dernières et faciliter la phase de calibration à venir, nous avons ajouté un modèle de transport et de diffusion de molécules dans la cellule. Une autre spécificité de notre modèle est que nous faisons la distinction entre l’état conducteur et l’état perméable des membranes.Des méthodes numériques spécifiques ainsi qu’un code en 3D et parallèle en C++ ont été écrits et validés pour résoudre les équations aux dérivées partielles de ces différents modèles. Nous validons le travail de modélisation en montrant que les simulations reproduisent qualitativement les comportements observés in vitro. / Cell permeabilization by intense electric pulses, called electropermeabilization, is a biological phenomenon involved in recent anticancer therapies. It allows, for example, to increase the efficacy of chemotherapies still reducing their side effects, to improve gene transfer, or to proceed tumor ablation. However, mechanisms of electropermeabilization are not clearly explained yet, and the mostly adopted hypothesis of the formation of pores at the membrane surface is in contradiction with several experimental results.This thesis modeling work is based on a different approach than existing electroporation models. Instead of deriving equations on membranes properties from hypothesis at the molecular scale, we prefer to write ad hoc laws to describe them, based on available experimental data only. Moreover, to be as close as possible to these data, and to ease the forthcoming work of parameter calibration, we added to our model equations of transport and diffusion of molecules in the cell. Another important feature of our model is that we differentiate the conductive state of membranes from their permeable state.Numerical methods, as well as a 3D parallel C++ code were written and validated in order to solve the partial differential equations of our models. The modeling work was validated by showing qualitative match between our simulations and the behaviours that are observed in vitro

Ce travail présente une méthode de distribution dynamique et adaptative, pour des applications distribuées constituées de multiples entités en interaction, dans un environnement de calcul versatile. L'équilibrage de charge ainsi que la minimisation des coûts de communication sont pris en compte. La méthode proposée repose sur la détection d'organisations au sein de l'application afin de mieux la distribuer. Les organisations sont identifiées comme des groupes d'entités en très forte communication. Les organisations évoluent, apparaissent, se renforcent, s'affaiblissent et disparaissent. Les ressources disponibles de calcul sur lesquelles l'application s'exécutent varient également. Ces contraintes imposent à la distribution de s'adapter dynamiquement. La méthode est basée sur des colonies de fourmis numériques qui tentent de recruter les entités de l'application. Les fourmis coopèrent au sein d'une même colonie et sont en compétition lorsqu'elles n'appartiennent pas à une même colonie. Elles tentent de s'approprier les organisations au sein de l'application, chaque colonie travaillant pour une ressource de calcul distincte. La compétition inter-colonies permet la répartition de la charge. La collaboration au sein de chaque colonie permet la détection des organisations, en plaçant les très fortes communications ensembles sur la même ressource de calcul. Enfin la gestion de la population permet de prendre en compte l'hétérogénéité des ressources de calcul.

Depuis une vingtaine d'années, l'industrie de la microélectronique et en particulier le marché des mémoires non-volatiles connaît une évolution considérable, en termes d'augmentation de la capacité d'intégration et de diminution du prix de revient. Ceci a permis au grand public d'accéder aux produits électroniques (téléphones portables, baladeurs MP3, clés USB, appareils photos numériques...) qui connaissent actuellement un énorme succès. Cependant, la miniaturisation des mémoires Flash risque de rencontrer des limitations. C'est pourquoi les industriels et les laboratoires recherchent actuellement de nouvelles voies qui permettraient de prolonger la durée de vie de ces dispositifs. Dans ce contexte, l'objectif premier de cette thèse est l'étude expérimentale et théorique des mémoires non-volatiles à nanocristaux de silicium. Nous avons montré les différentes possibilités d'intégration des nanocristaux de silicium à partir d'un procédé de fabrication standard. Un démonstrateur Flash NOR 32 Mb à nanocristaux de silicium a été réalisé à partir d'un produit ATMEL. Nous nous sommes ensuite intéressés à la caractérisation électrique des cellules et matrices mémoires. Une étude exhaustive de l'influence des conditions de programmation ainsi que des paramètres technologiques sur les performances électriques a été menée. La modélisation de l'effacement Fowler-Nordheim et du « gate disturb » a permis de comprendre l'influence de certains de ces paramètres. Concernant l'écriture par porteurs chauds, nous avons étudié l'influence des conditions d'écriture sur la localisation de la charge à l'aide de simulations TCAD et d'un modèle analytique couplé à des mesures expérimentales.

Les décharges électrostatiques (ESD) constituent un problème majeur de fiabilité pour les entreprises de semi-conducteurs. Pour enrayer les défauts générés par les ESD sur les circuits intégrés (ICs), des éléments de protection sont implantés directement dans les puces. La constante poussée de l'intégration des circuits a pour conséquence la réduction des dimensions des cellules technologiques élémentaires ainsi que l'accroissement du nombre d'applications supportées par les ICs. Les conditions restrictives imposées par les procédés technologiques et par la complexité croissante des systèmes entraînent un défi considérablement accru pour le développement de produits robustes aux ESD. Dans ce travail de recherche, le problème émergeant des défaillances des couches d'oxydes minces d'épaisseur Tox = 8 à 1.1nm sous contraintes ESD est adressé dans les technologies CMOS les plus avancées, par une contribution à la compréhension des mécanismes de dégradation de la fiabilité du diélectrique et des dispositifs sous contraintes ESD. Une nouvelle approche de caractérisation des oxydes minces sous des stress à pulses ultra-courts (20 ns) est décrite jusqu'à la modélisation complète de la dépendance temporelle du claquage du diélectrique. Basé sur un ensemble cohérent de modélisations, une nouvelle méthodologie est proposée pour ajuster la détermination de la fenêtre ESD de façon mieux adaptée aux intervalles de tension et d'épaisseur d'oxyde de grille pour l'ingénierie des concepts de protection. Ceci a permis d'améliorer la prise en compte des problèmes ESD pour une meilleure fiabilité et robustesse des produits conçus en technologies CMOS fortement sub-microniques vis-à-vis des décharges électrostatiques.

Dans cette thèse, l'effet non-local des interactions locales électron-électron sur le transport est étudié dans des modèles de dimensions réduites. À température nulle, le transport au travers d'une nanostructure où les électrons interagissent peut être décrit par une matrice de diffusion. Néanmoins, si les interactions sont importantes à l'intérieur de la nanostructure, le diffuseur effectif à un corps qui décrit la nanostructure ne dépend pas seulement des paramètres internes de la nanostructure, mais aussi des diffuseurs qui existent dans les conducteurs en contact avec la nanostructure.<br /><br />Ces effets non-locaux induits par l'interaction sont étudiés dans trois modèles différents, en utilisant la théorie Hartree-Fock pour décrire l'interaction.<br /><br />En regardant deux nanostructures où les électrons interagissent, on montre que les matrices de diffusion des deux nanostructures sont effectivement couplées par les oscillations de Friedel qu'elles engendrent dans les conducteurs externes.<br /><br />Pour observer les effets non-locaux dans la conductance quantique, il suffit de regarder une seule nanostructure où les électrons interagissent en série avec un diffuseur à un corps. En remplaçant la deuxième nanostructure par une boucle attachée, nous montrons que la matrice de diffusion de la nanostructure dépend du flux magnétique au travers de la boucle.<br /><br />En étendant l'étude à des modèles bidimensionnels, l'influence de l'effet non-local sur les images obtenues par un microscope à effet de grille est étudiée. En utilisant l'effet non-local, on peut détecter l'importance des interactions locales électron-électron dans ces images.

La miniaturisation des composants électroniques et en particulier celle d'une des "briques élémentaires" de la microélectronique, le transistor MOS, nécessite l'emploi d'un nouvel oxyde de grille en remplacement du traditionnel oxyde de silicium. En effet, cette grille tend à devenir tellement fine que les courants de fuite à travers celle-ci deviennent trop importants pour garantir un fonctionnement satisfaisant. Plusieurs oxydes à fortes permittivités on été identifiés pour remplacer le SiO2. Notre étude repose sur le développement d'un simulateur Monte-Carlo cinétique original au sein d'une approche multi-échelles, allant de la molécule au réacteur de dépôt. Des études ab initio contribuent à identifier les mécanismes réactionnels élémentaires avant de les intégrer dans le simulateur. Celui-ci peut alors gérer jusqu'à plusieurs millions d'atomes, sur des durées de l'ordre de la seconde. Atteindre ces échelles d'espace et de temps permet une confrontation directe avec les résultats expérimentaux et les simulations de type macroscopique. Après un tour d'horizon du contexte de l'étude et du cadre méthodologique, cette thèse expose la conception du simulateur Monte-Carlo en interaction avec les différentes contributions du projet européen « Hike » (5ème PCRD de l'Union Européenne): modélisation du substrat, simulation du procédé de croissance par monocouches atomiques (Atomic Layer Deposition), dynamique temporelle, mécanismes réactionnels élémentaires... La validation du logiciel a non seulement conforté la démarche adoptée mais aussi donné de précieuses informations concernant la réactivité du substrat, les mécanismes et la cinétique de croissance de plusieurs oxydes à fortes permittivités, en particulier l'oxyde d'hafnium.

Bien que souvent assez consommatrice en temps de calcul, la méthode Monte Carlo est l'algorithme de calcul qui modélise au plus près la physique liée aux processus de dépôts d'énergie. L'idée est d'utiliser les calculs Monte Carlo dans le traitement quotidien du cancer par rayonnement pour rivaliser avec les systèmes de planification de traitement (TPS) existants dans le but de délivrer une dose absorbée à la tumeur pour des traitements spécifiques. Pour atteindre cet objectif, deux points ont été particulièrement étudiés au cours de cette thèse : la validation de la plate-forme de simulation GATE pour des applications en dosimétrie utilisant des électrons, une étude particulière est faite concernant les traitements de curiethérapie oculaire utilisant des applicateurs ophtalmiques de 106Ru/106Rh, et le déploiement des simulations GATE dans un environnement de grille pour réduire les temps de calcul très élevés de ces simulations.<br />Des points kernels de dose d'électrons mono-énergétiques et poly-énergétiques ont été simulés en utilisant la plate-forme GATE et comparés à d'autres codes Monte Carlo. Trois versions des packages de librairies ont été utilisées pour les comparaisons (5.2, 6.2 et 7.0). Les résultats montrent que l'implémentation de la diffusion multiple est responsable des différences observées entre les codes. Les simulations de traitements de curiethérapie oculaire comparées avec d'autres Monte Carlo et des mesures montrent un bon accord. La transcription des unités Hounsfield, à partir des données scanner sur l'anatomie du patient, en paramètres tissulaires est l'autre étude présentée pour une utilisation prochaine de GATE sur des images voxélisées pour la dosimétrie personnalisée. Les infrastructures des projets DataGrid puis d'EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul dans le but de les utiliser en routine clinique.<br />La méthode utilisée pour paralléliser les simulations GATE est la division du générateur de nombres aléatoires (RNG) en séquences indépendantes. Des tests de temps de calcul réalisés sur des bancs tests de grille montrent qu'un gain significatif est obtenu. Les fonctionnalités pour diviser, lancer et contrôler les simulations GATE sur une infrastructure de grille ont été implémentées sur le portail web GENIUS. Un premier prototype de ce portail est accessible à partir d'un centre hospitalier pour l'utilisation de la précision des algorithmes Monte Carlo de manière transparente et sécurisée pour des traitements de cancer de l'œil.

Ce mémoire traite de l'obtention d'informations pertinentes, récentes et précises sur l'état courant des plates-formes de calcul modernes. Souvent dénommés grilles, ces environnements se différencient des machines parallèles les ayant précédés par leur nature intrinsèquement hétérogène et fortement dynamique.<br /> <br />Ce document est découpé en trois parties. La première présente les difficultés spécifiques à la grille en se basant sur une sélection de projets d'infrastructures pour la grille et en détaillant les solutions proposées dans ce cadre.<br /><br />La seconde partie montre comment obtenir efficacement des informations quantitatives sur les capacités de la grille et leur adéquation aux besoins des routines à ordonnancer. Après avoir détaillé les problèmes rencontrés dans ce cadre, nous explicitons notre approche, nommée macro-benchmarking. Nous présentons ensuite l'outil FAST, développé dans le cadre de cette thèse et mettant cette méthodologie en oeuvre. Nous étudions également comment cet outil est utilisé dans différents projets.<br /><br />La troisième partie traite de l'obtention d'une vision plus qualitative des caractéristiques de la grille, telle que la topologie d'interconnexion des machines la constituant. Après une étude des solutions classiques du domaine, nous présentons ALNeM, notre solution de cartographie automatique ne nécessitant pas de privilège d'exécution particulier. Cet outil est basé sur l'environnement GRAS, développé dans le cadre de ces travaux pour la mise au point des constituants de la grille.