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The finite state projection algorithm provides modelers a new way of directly solving the chemical master equation. The algorithm utilizes the matrix exponential function, and so the algorithm’s performance suffers when it is applied to large problems. Other work has been done to reduce the size of the exponentiation through mathematical simplifications, but efficiently exponentiating a large matrix has not been explored. This work explores implementing the finite state projection algorithm on several different high-performance computing platforms as a means of efficiently calculating the matrix exponential function for large systems. This work finds that general purpose graphics processing can accelerate the finite state projection algorithm by several orders of magnitude. Specific biological models and modeling techniques are discussed as a demonstration of the algorithm implemented on a general purpose graphics processor. The results of this work show that general purpose graphics processing will be a key factor in modeling more complex biological systems.

Cette thèse cherche à optimiser les communications des applications de calcul intensif s'exécutant sur des grappes de PC. En raison de l'usage massif de processeurs multicoeurs, il est désormais impératif de gérer un grand nombre de flux de communication concurrents. Nous avons mis en évidence et analysé les performances décevantes des solutions actuelles dans un tel contexte. Nous avons ainsi proposé une architecture de communication centrée sur l'arbitrage de l'accès aux matériels. Son originalité réside dans la dissociation de l'activité de l'application de celle des cartes réseaux. Notre modèle exploite l'intervalle de temps introduit entre le dépot des requêtes de communication et la disponibilité des cartes réseaux pour appliquer des optimisations de manière opportuniste. NewMadeleine implémente ce concept et se révèle capable d'exploiter les réseaux les plus performants du moment. Des tests synthétiques et portages d'implémentations caractéristiques de MPI ont permis de valider l'architecture proposée. / The aim of this thesis is to optimize the communications of high performance applications, in the context of clusters computing. Given the massive use of multicore architectures, it is now crucial to handle a large number of concurrent communication flows. We highlighted and analyzed the shortcomings of existing solutions. We therefore designed a new way to schedule communication flows by focusing on the activity of the network cards. Its novelty consists in untying the activity of applications from that of the network cards. Our model takes advantage of the delay that exists between the deposal of the communication requests and the moment when the network cards become idle in order to apply some opportunistic optimizations. NewMadeleine implements this model, thus making possible to exploit last generation high speed networks. The approach of NewMadeleine is not only validated by synthetical tests but also by real applications.

Le concept de pair à pair (P2P) a connu récemment de grands développements dans les domaines du partage de fichiers, du streaming vidéo et des bases de données distribuées. Le développement du concept de parallélisme dans les architectures de microprocesseurs et les avancées en matière de réseaux à haut débit permettent d'envisager de nouvelles applications telles que le calcul intensif distribué. Cependant, la mise en oeuvre de ce nouveau type d'application sur des réseaux P2P pose de nombreux défis comme l'hétérogénéité des machines, le passage à l'échelle et la robustesse. Par ailleurs, les protocoles de transport existants comme TCP et UDP ne sont pas bien adaptés à ce nouveau type d'application. Ce mémoire de thèse a pour objectif de présenter un environnement décentralisé pour la mise en oeuvre de calculs intensifs sur des réseaux pair à pair. Nous nous intéressons à des applications dans les domaines de la simulation numérique et de l'optimisation qui font appel à des modèles de type parallélisme de tâches et qui sont résolues au moyen d'algorithmes itératifs distribués or parallèles. Contrairement aux solutions existantes, notre environnement permet des communications directes et fréquentes entre les pairs. L'environnement est conçu à partir d'un protocole de communication auto-adaptatif qui peut se reconfigurer en adoptant le mode de communication le plus approprié entre les pairs en fonction de choix algorithmiques relevant de la couche application ou d'éléments de contexte comme la topologie au niveau de la couche réseau. Nous présentons et analysons des résultats expérimentaux obtenus sur diverses plateformes comme GRID'5000 et PlanetLab pour le problème de l'obstacle et des problèmes non linéaires de flots dans les réseaux. / The concept of peer-to-peer (P2P) has known great developments these years in the domains of file sharing, video streaming or distributed databases. Recent advances in microprocessors architecture and networks permit one to consider new applications like distributed high performance computing. However, the implementation of this new type of application on P2P networks gives raise to numerous challenges like heterogeneity, scalability and robustness. In addition, existing transport protocols like TCP and UDP are not well suited to this new type of application. This thesis aims at designing a decentralized and robust environment for the implementation of high performance computing applications on peer-to-peer networks. We are interested in applications in the domains of numerical simulation and optimization that rely on tasks parallel models and that are solved via parallel or distributed iterative algorithms. Unlike existing solutions, our environment allows frequent direct communications between peers. The environment is based on a self adaptive communication protocol that can reconfigure itself dynamically by choosing the most appropriate communication mode between any peers according to decisions concerning algorithmic choice made at the application level or elements of context at transport level, like topology. We present and analyze computational results obtained on several testeds like GRID’5000 and PlanetLab for the obstacle problem and nonlinear network flow problems.

La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est de plus en plus utilisée dans les processus de développement et la conception des réacteurs aéronautiques industriels. L'une des raisons pour ce besoin résulte dans la capacité de la SGE à fournir des informations instantanées d'un écoulement turbulent augmentant la quantité des prédictions de la composition des gaz d'échappement. Ce manuscrit de thèse aborde deux sujets récurrents de la SGE. D'une part, les schémas numériques pour la SGE nécessitent certaines propriétés, notamment une précision élevée avec une diffusivité faible pour ne pas nuire aux modèles de turbulence. Afin de répondre à ce pré requis, une famille de schémas d'intégration temporelle d'ordre élevée est proposée, permettant de modifier la diffusion numérique du schéma. D'autre part, la SGE étant intrinsèquement instationnaire, elle est très consommatrice en temps CPU. De plus, une géométrie complexe prend beaucoup de temps de simulation même avec les super calculateurs d'aujourd'hui. Dans le cas particulier d'intérêt et souvent rencontré dans les applications industrielles, l'approche bas-Mach est constitue une alternative intéressante permettant de réduire le coût et le temps de retour d'une simulation LES. L'impact et la comparaison des formalismes compressible et incompressible sont toutefois rarement quantifiés, ce qui est proposé dans ce travail pour une configuration représentative d'un brûleur swirlé industriel mesuré au CORIA / Large-Eddy Simulation (LES) becomes a more and more demanded tool to improve the design of aero-engines. The main reason for this request stems from the constraints imposed on the next generation low-emission engines at the industrial development level and the ability for LES to provide information on the instantaneous turbulent flow field which greatly contributes to improving the prediction of mixing and combustion thereby offering an improved prediction of the exhaust emission. The work presented in this thesis discusses two recurring issues of LES. For one, numerical schemes for LES require certain properties, i.e. low-diffusion schemes of high order of accuracy so as not to interfere with the turbulence models. To meet this purpose in the context of fully unstructured solvers, a new family of high-order time-integration schemes is proposed. With this class of schemes, the diffusion implied by the numerical scheme become adjustable and built-in. Second, since fully unsteady by nature, LES is very consuming in terms of CPU time. Even with today's supercomputers complex problems require long simulation times. Due to the low flow velocities often occurring in industrial applications, the use of a low-Mach number solver seems suitable and can lead to large reductions in CPU time if comparable to fully compressible solvers. The impact of the incompressibility assumption and the different nature of the numerical algorithms are rarely discussed. To partly answer the question, detailed comparisons are proposed for an experimental swirled configuration representative of a real burner that is simulated by LES using a fully explicit compressible solver and an incompressible solution developed at CORIA

Les systèmes de calcul actuels sont généralement des grappes de machines composés de nombreux processeurs à l'architecture fortement hiérarchique. Leur exploitation constitue le défi majeur des implémentations de modèles de programmation tels MPI ou OpenMP. Une pratique courante consiste à mélanger ces deux modèles pour bénéficier des avantages de chacun. Cependant ces modèles n'ont pas été pensés pour fonctionner conjointement ce qui pose des problèmes de performances. Les travaux de cette thèse visent à assister le développeur dans la programmation d'application de type hybride. Il s'appuient sur une analyse de la hiérarchie architecturale du système de calcul pour dimensionner les ressources d'exécution (processus et threads). Plutôt qu'une approche hybride classique, créant un processus MPI multithreadé par noeud, nous évaluons de façon automatique des solutions alternatives, avec plusieurs processus multithreadés par noeud, mieux adaptées aux machines de calcul modernes. / Modern computing servers usually consist in clusters of computers with several multi-core CPUs featuring a highly hierarchical hardware design. The major challenge of the programming models implementations is to efficiently take benefit from these servers. Combining two type of models, like MPI and OpenMP, is a current trend to reach this point. However these programming models haven't been designed to work together and that leads to performance issues. In this thesis, we propose to assist the programmer who develop hybrid applications. We lean on an analysis of the computing system architecture in order to set the number of processes and threads. Rather than a classical hybrid approach, that is to say creating one multithreaded MPI process per node, we automatically evaluate alternative solutions, with several multithreaded processes per node, better fitted to modern computing systems.