Dans cette thèse nous explorons les possibilités offertes par l'implémentation de méthodes hybrides sur des machines de calcul hétérogènes dans le but de réaliser des simulations numériques de problèmes multiéchelles. La méthode hybride consiste à coupler des méthodes de diverses natures pour résoudre les différents aspects physiques et numériques des problèmes considérés. Elle repose sur une méthode particulaire avec remaillage qui combine les avantages des méthodes Lagrangiennes et Eulériennes. Les particules sont déplacées selon le champ de vitesse puis remaillées à chaque itération sur une grille en utilisant des formules de remaillage d'ordre élevés. Cette méthode semi-Lagrangienne bénéficie des avantages du maillage régulier mais n'est pas contrainte par une condition de CFL.Nous construisons une classe de méthodes d'ordre élevé pour lesquelles les preuves de convergence sont obtenues sous la seule contrainte de stabilité telle que les trajectoires des particules ne se croisent pas.Dans un contexte de calcul à haute performances, le développement du code de calcul a été axé sur la portabilité afin de supporter l'évolution rapide des architectures et leur nature hétérogène. Une étude des performances numériques de l'implémentation GPU de la méthode pour la résolution d'équations de transport est réalisée puis étendue au cas multi-GPU. La méthode hybride est appliquée à la simulation du transport d'un scalaire passif dans un écoulement turbulent 3D. Les deux sous-problèmes que sont l'écoulement turbulent et le transport du scalaire sont résolus simultanément sur des architectures multi-CPU et multi-GPU. / In this work, we investigate the implementation of hybrid methods on heterogeneous computers in order to achieve numerical simulations of multi-scale problems. The hybrid numerical method consists of coupling methods of different natures to solve the physical and numerical characteristics of the problem. It is based on a remeshed particle method that combines the advantages of Lagrangian and Eulerian methods. Particles are pushed by local velocities and remeshed at every time-step on a grid using high order interpolation formulas. This forward semi-lagrangian method takes advantage of the regular mesh on which particles are reinitialized but is not limited by CFL conditions.We derive a class of high order methods for which we are able to prove convergence results under the sole stability constraint that particle trajectories do not intersect.In the context of high performance computing, a strong portability constraint is applied to the code development in order to handle the rapid evolution of architectures and their heterogeneous nature. An analysis of the numerical efficiency of the GPU implementation of the method is performed and extended to multi-GPU platforms. The hybrid method is applied to the simulation of the transport of a passive scalar in a 3D turbulent flow. The two sub-problems of the flow and the scalar calculations are solved simultaneously on multi-CPU and multi-GPU architectures.

Contrairement aux liquides ordinaires, les fluides complexes comme le sang exhibent des comportements étranges qui dépendent essentiellement des structures sous-jacentes qui les composent. La simulation des écoulements sanguins continue de poser un formidable défi pour les modélisations théoriques et numériques dont l'intérêt est de développer des méthodes et des outils de simulation pour la communauté médicale. Nous proposons dans cette thèse une contribution à ce projet qui sera majoritairement centré sur les aspects numériques et informatiques. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'interaction entre le sang et la paroi vasculaire, qui joue un rôle important dans les grandes artères comme l'aorte. Nous nous sommes aussi investis dans la simulation du transport des cellules sanguines dans le sang. Pour la résolution des équations aux dérivées partielles décrivant nos modèles d'hémodynamique, nous avons choisi d'utiliser des méthodes numériques dont la précision pourra être accrue de manière arbitraire. Dans ce but, les principaux ingrédients qui ont été mis en oeuvre sont (i) la méthode des éléments finis basée sur des approximations de Galerkin d'ordre arbitraire en espace et géométrie, (ii) la méthode ALE pour la prise en compte de la mobilité des domaines pour des déplacements d'ordre arbitraire, (iii) les couplages implicites et semi-implicites pour l'interaction fluide-structure. Nous proposons également une nouvelle formulation de la méthode de la frontière élargie visant à modéliser le transport de particules déformables immergées dans un fluide. Nos simulations numériques se sont appuyées sur la librairie de calcul Feel++, spécialisée dans la résolution d'EDP. Outre l'implémentation des modèles physiques, nous y avons développé diverses fonctionnalités nécessaires à la mise en oeuvre de nos méthodes : interpolation, méthode de Galerkin non standard, méthode ALE, environnement pour l'interaction fluide-structure. De plus, de par la taille des géométries et la complexité des modèles mis en jeu, le passage au calcul parallèle a été indispensable pour pouvoir réaliser nos simulations. Ainsi, nous avons décrit le développement qui a été effectué dans cette librairie pour permettre le déploiement de nos programmes sur des architectures parallèles. / Unlike ordinary liquids, complex fluids such as blood exhibit strange behavior mainly dependent underlying structures that compose them. Simulation of blood flow remains a formidable challenge for theoretical and numerical modeling whose interest is to develop methods and simulation tools for the medical community. We propose in this work a contribution to this project will be mainly focused on numerical and computational aspects. We are particularly interested in the interaction between the blood and the vascular wall, which plays an important role in the large arteries as the aorta. We also invested in transport simulation of blood cells in the blood. For solving partial differential equations describing our hemodynamic models we chose to use numerical methods whose accuracy can be increased arbitrarily. For this purpose, the main ingredients that have been used are textit {(i)} the finite element method based on Galerkin approximations of arbitrary order in space and geometry, (i) the ALE method for taking into account the mobility of areas for movements of arbitrary order, (ii) the implicit and semi-implicit coupling for fluid-structure interaction. We also propose a new formulation of the method of boundary extended to model the transport of deformable particles immersed in a fluid. Our numerical simulations were based on the library Feel++ specializing on the EDP resolution. In addition to implementing physical models, we have developed various features are necessary for the implementation our methods: interpolation, Galerkin non-standard method, ALE method, framework for fluid-structure interaction. In addition, the size and geometry of the complexity of the models involved, the transition to parallel computing was essential in order to achieve our simulations. Thus, we have described the development was carried out in the library to allow deployment of our programs on parallel architectures.

Multi-core, multi-processor, and Graphics Processing Unit (GPU) computer architectures pose significant challenges with respect to the efficient exploitation of parallelism for large-scale, scientific computing simulations. For example, a simulation of the human tonsil at the cellular level involves the computation of the motion and interaction of millions of cells over extended periods of time. Also, the simulation of Radiative Heat Transfer (RHT) effects by the Photon Monte Carlo (PMC) method is an extremely computationally demanding problem. The PMC method is example of the Monte Carlo simulation method—an approach extensively used in wide of application areas. Although the basic algorithmic framework of these Monte Carlo methods is simple, they can be extremely computationally intensive. Therefore, an efficient parallel realization of these simulations depends on a careful analysis of the nature these problems and the development of an appropriate software framework. The overarching goal of this dissertation is develop and understand what the appropriate parallel programming model should be to exploit these disparate architectures, both from the metric of efficiency, as well as from a software engineering perspective. In this dissertation we examine these issues through a performance study of PathSim2, a software framework for the simulation of large-scale biological systems, using two different parallel architectures’ distributed and shared memory. First, a message-passing implementation of a multiple germinal center simulation by PathSim2 is developed and analyzed for distributed memory architectures. Second, a germinal center simulation is implemented on shared memory architecture with two parallelization strategies based on Pthreads and OpenMP. Finally, we present work targeting a complete hybrid, parallel computing architecture. With this work we develop and analyze a software framework for generic Monte Carlo simulations implemented on multiple, distributed memory nodes consisting of a multi-core architecture with attached GPUs. This simulation framework is divided into two asynchronous parts: (a) a threaded, GPU-accelerated pseudo-random number generator (or producer), and (b) a multi-threaded Monte Carlo application (or consumer). The advantage of this approach is that this software framework can be directly used within any Monte Carlo application code, without requiring application-specific programming of the GPU. We examine this approach through a performance study of the simulation of RHT effects by the PMC method on a hybrid computing architecture. We present a theoretical analysis of our proposed approach, discuss methods to optimize performance based on this analysis, and compare this analysis to experimental results obtained from simulations run on two different hybrid, parallel computing architectures. / Ph. D.

Das vorliegende Buch entstand aus einer zweisemestrigen Vorlesung „Enterprise Computing“, die wir gemeinsam über viele Jahre als Teil des Bachelor- oder Master-Studienganges an der Universität Leipzig gehalten haben. Das Buch führt ein in die Welt des Mainframe und soll dem Leser einen einführenden Überblick geben. Band 1 ist der Einführung in z/OS gewidmet, während sich Band 2 mit der Internet Integration beschäftigt. Ergänzend werden in Band 3 praktische Übungen unter z/OS dargestellt.

Das vorliegende Buch entstand aus einer zweisemestrigen Vorlesung „Enterprise Computing“, die wir gemeinsam über viele Jahre als Teil des Bachelor- oder Master-Studienganges an der Universität Leipzig gehalten haben. Das Buch führt ein in die Welt des Mainframe und soll dem Leser einen einführenden Überblick geben. Band 1 ist der Einführung in z/OS gewidmet, während sich Band 2 mit der Internet Integration beschäftigt. Ergänzend werden in Band 3 praktische Übungen unter z/OS dargestellt.