La conception d'applications scientifiques à base de couplage de code est une tâche complexe car elle demande de concilier une facilité de programmation et une obtention de haute performance. En outre, les ressources matérielles (supercalculateurs, grappes de calcul, grilles) permettant leur exécution forment un ensemble hétérogène en constante évolution. Les modèles à base de composants logiciels forment une piste prometteuse pour gérer ces deux sources de complexité car ils permettent d'exprimer les interactions entre les différents constituants d'une application tout en offrant des possibilités d'abstraction des ressources. Néanmoins, les modèles existants ne permettent pas d'exprimer de manière satisfaisante les applications constituées de motifs répliqués dynamiques et hiérarchiques. Ainsi, cette thèse vise à améliorer l'existant - et en particulier la plate-forme générique de simulation numérique SALOME - pour une classe d'applications très répandue : les applications à base de décomposition de domaine et la variante utilisant le raffinement de maillage adaptatif. Tout d'abord, nous avons proposé d'étendre le modèle de composition spatial et temporel de SALOME en ajoutant la possibilité de définir dynamiquement la cardinalité des composants. Cela demande en particulier de gérer les communications de groupes ainsi induites. La proposition a été implémentée dans SALOME et validée via une application de décomposition de domaine à base de couplage de plusieurs instances de Code_Aster. Ensuite, nous avons étudié la pertinence d'utiliser un modèle de composant supportant des connecteurs natifs (MPI, mémoire partagée, appel de méthode) pour permettre une composition plus fine des interactions entre composants. Les résultats d'expériences montrent que des performances équivalentes aux versions natives sont obtenues tout en permettant de manipuler facilement l'architecture de l'application. Enfin, nous avons étudié les extensions nécessaires aux modèles à composants (abstraction,hiérarchie, dynamicité) pour la conception d'applications de raffinement de maillage adaptatif. Les modèles de composants spatio-temporels les plus avancés permettent ainsi d'exprimer ce type d'application mais les performances sont limitées par leur mise en œuvre centralisée ainsi que par le manque de moyens efficaces pour modifier à la volée des assemblages de composants.

Si la sécurité est une notion essentielle aux applications, particulièrement aux applications distribuées, ses nombreux concepts représentent une étape difficile de leur développement. Les intergiciels actuels intègrent un grand nombre de technologies relatives aux concepts de sécurité. Cependant, ils laissent aux développeurs la tâche de choisir la technologie la plus adaptée ainsi que la gestion des processus sous-jacents. Cet exercice se révèle d'autant plus difficile lorsque l'application évolue dans un environnement dynamique tel que celui des grilles de calcul. Afin de faciliter le déploiement d'applications distribuées et sécurisées, cette thèse présente un modèle de sécurité décentralisé permettant aux divers acteurs (administrateurs, fournisseurs de ressources, utilisateur) d'exprimer leurs politiques de sécurité. Son utilisation se veut totalement transparente au code métier des applications. La configuration de la politique de sécurité d'une application est exprimée dans des fichiers externes en dehors du code source de cette dernière. Il est ainsi possible d'adapter la sécurité de l'application en fonction de son déploiement. Notre mécanisme de sécurité est conçu pour s'adapter dynamiquement aux situations survenant dans le cycle de vie d'une application distribuée, notamment l'acquisition de nouvelles ressources et la création de nouveaux objets. L'implantation du modèle au sein d'une bibliothèque pour le calcul distribué a permis de démontrer la faisabilité de l'approche et ses avantages. En effet, son implantation transparente a permis son intégration immédiate avec les autres modules de la bibliothèque (communications de groupe, mobilité, composants, pair-à-pair). Les tests de performance réalisés afin d'évaluer son surcoût ont confirmé la validité de l'approche.

La Radio Logicielle (SDR) est une radio dont les transformations de la forme d'onde, modulation, démodulation des signaux d'un système radio sont mises en œuvre par du logiciel plutôt que par du matériel à fonctionnalité spécifique. Avec cette approche, l'adaptation du système à une autre norme de communication, ou même l'évolution vers une technologie plus récente peuvent être réalisés par mise à jour du logiciel sans remplacement du matériel qui serait long et coûteux. L'architecture de communication logicielle (Software Communication Architecture, SCA), est une architecture ouverte largement acceptée pour les projets de SDR. La spécification SCA minimise le coût de portage des applications en fournissant une couche d'abstraction qui rend transparentes les méthodes spécifiques de chaque système. Dans cette thèse, on s'intéresse au développement et à la programmation d'une plateforme SDR conforme à SCA.Les nouvelles plateformes de SDR sont en général implémentées sur des plateformes multiprocesseurs système sur puce (MPSoC) exploitant ses importantes ressources de calculs avec une bonne efficacité énergique. Les possibilités d'un rapide développement, déploiement et vérification des logiciels embarqués parallèles sur ces nouvelles plateformes MPSoC sont autant de points clés pour satisfaire les objectifs de performance tout en respectant les délais de mise à disposition sur le marché et le coût de développement.On a proposé un flot de conception pour la SDR avec l'exploration architecturale systématique et l'optimisation multi-objective utilisant le modèle de programmation hybride (distribué client/serveur + parallèle).On a étudié aussi la synthèse de topologie de réseau-sur-puce (PSTRP) qui est une partie du flot de conception. Le problème de la synthèse de la topologie du réseau-sur-puce peut se modéliser sous forme de programme linéaire en nombres entiers. Les résultats montrent que les contraintes d'implémentation, comme la hiérarchie du réseau sur puce, doivent être prises en compte pour obtenir un résultat à la fois mathématiquement optimisé et électroniquement réalisable.

Initialement con¸cu pour d'echarger le CPU des tˆaches de rendu graphique, le GPU estdevenu une architecture massivement parall'ele adapt'ee au traitement de donn'ees volumineuses.Alors qu'il occupe une part de march'e importante dans le Calcul Haute Performance, uned'emarche d'Ad'equation Algorithme Architecture est n'eanmoins requise pour impl'ementerefficacement un algorithme sur GPU.La contribution de cette th'ese est double. Dans un premier temps, nous pr'esentons legain significatif apport'e par l'impl'ementation optimis'ee d'un algorithme de granulom'etrie(l'ordre de grandeur passe de l'heure 'a la minute pour un volume de 10243 voxels). Un mod'eleanalytique permettant d''etablir les variations de performance de l'application de granulom'etriesur GPU a 'egalement 'et'e d'efini et pourrait ˆetre 'etendu 'a d'autres algorithmes r'eguliers.Dans un second temps, un outil facilitant le d'eploiement d'applications de Traitementdu Signal et de l'Image sur cluster multi-GPU a 'et'e d'evelopp'e. Pour cela, le champ d'actiondu programmeur est r'eduit au d'ecoupage du programme en tˆaches et 'a leur mapping sur les'el'ements de calcul (GPP ou GPU). L'am'elioration notable du d'ebit sortant d'une applicationstreaming de calcul de carte de saillence visuelle a d'emontr'e l'efficacit'e de notre outil pourl'impl'ementation d'une solution sur cluster multi-GPU. Afin de permettre un 'equilibrage decharge dynamique, une m'ethode de migration de tˆaches a 'egalement 'et'e incorpor'ee 'a l'outil.

Initialement con¸cu pour d´echarger le CPU des tˆaches de rendu graphique, le GPU estdevenu une architecture massivement parall`ele adapt´ee au traitement de donn´ees volumineuses.Alors qu’il occupe une part de march´e importante dans le Calcul Haute Performance, uned´emarche d’Ad´equation Algorithme Architecture est n´eanmoins requise pour impl´ementerefficacement un algorithme sur GPU.La contribution de cette th`ese est double. Dans un premier temps, nous pr´esentons legain significatif apport´e par l’impl´ementation optimis´ee d’un algorithme de granulom´etrie(l’ordre de grandeur passe de l’heure `a la minute pour un volume de 10243 voxels). Un mod`eleanalytique permettant d’´etablir les variations de performance de l’application de granulom´etriesur GPU a ´egalement ´et´e d´efini et pourrait ˆetre ´etendu `a d’autres algorithmes r´eguliers.Dans un second temps, un outil facilitant le d´eploiement d’applications de Traitementdu Signal et de l’Image sur cluster multi-GPU a ´et´e d´evelopp´e. Pour cela, le champ d’actiondu programmeur est r´eduit au d´ecoupage du programme en tˆaches et `a leur mapping sur les´el´ements de calcul (GPP ou GPU). L’am´elioration notable du d´ebit sortant d’une applicationstreaming de calcul de carte de saillence visuelle a d´emontr´e l’efficacit´e de notre outil pourl’impl´ementation d’une solution sur cluster multi-GPU. Afin de permettre un ´equilibrage decharge dynamique, une m´ethode de migration de tˆaches a ´egalement ´et´e incorpor´ee `a l’outil. / Originally designed to relieve the CPU from graphics rendering tasks, the GPU has becomea massively parallel architecture suitable for processing large amounts of data. While it haswon a significant market share in the High Performance Computing domain, an Algorithm-Architecture Matching approach is still necessary to efficiently implement an algorithm onGPU.The contribution of this thesis is twofold. Firstly, we present the significant gain providedby the implementation of a granulometry optimized algorithm (computation time decreasesfrom several hours to less than minute for a volume of 10243 voxels). An analytical modelestablishing the performance variations of the granulometry application is also presented. Webelieve it can be expanded to other regular algorithms.Secondly, the deployment of Signal and Image processing applications on multi-GPUcluster can be a tedious task for the programmer. In order to help him, we developped alibrary that reduces the scope of the programmer’s contribution in the development. Hisremaining tasks are decomposing the application into a Data Flow Graph and giving mappingannotations in order for the tool to automatically dispatch tasks on the processing elements(GPP or GPU). The throughput of a visual sailency streaming application is then improvedthanks to the efficient implementation brought by our tool on a multi-GPU cluster. In orderto permit dynamic load balancing, a task migration method has also been incorporated into it.

La conception d'applications scientifiques à base de couplage de code est une tâche complexe car elle demande de concilier une facilité de programmation et une obtention de haute performance. En outre, les ressources matérielles (supercalculateurs, grappes de calcul, grilles) permettant leur exécution forment un ensemble hétérogène en constante évolution. Les modèles à base de composants logiciels forment une piste prometteuse pour gérer ces deux sources de complexité car ils permettent d’exprimer les interactions entre les différents constituants d’une application tout en offrant des possibilités d'abstraction des ressources. Néanmoins, les modèles existants ne permettent pas d'exprimer de manière satisfaisante les applications constituées de motifs répliqués dynamiques et hiérarchiques. Ainsi, cette thèse vise à améliorer l'existant – et en particulier la plate-forme générique de simulation numérique SALOME – pour une classe d'applications très répandue : les applications à base de décomposition de domaine et la variante utilisant le raffinement de maillage adaptatif. Tout d'abord, nous avons proposé d’étendre le modèle de composition spatial et temporel de SALOME en ajoutant la possibilité de définir dynamiquement la cardinalité des composants. Cela demande en particulier de gérer les communications de groupes ainsi induites. La proposition a été implémentée dans SALOME et validée via une application de décomposition de domaine à base de couplage de plusieurs instances de Code_Aster. Ensuite, nous avons étudié la pertinence d'utiliser un modèle de composant supportant des connecteurs natifs (MPI, mémoire partagée, appel de méthode) pour permettre une composition plus fine des interactions entre composants. Les résultats d'expériences montrent que des performances équivalentes aux versions natives sont obtenues tout en permettant de manipuler facilement l'architecture de l'application. Enfin, nous avons étudié les extensions nécessaires aux modèles à composants (abstraction,hiérarchie, dynamicité) pour la conception d’applications de raffinement de maillage adaptatif. Les modèles de composants spatio-temporels les plus avancés permettent ainsi d'exprimer ce type d'application mais les performances sont limitées par leur mise en œuvre centralisée ainsi que par le manque de moyens efficaces pour modifier à la volée des assemblages de composants. / Designing scientific applications based on code coupling is a complex task. It requires both an easy programming process and high-performance. In addition, execution resources (supercomputers, computer clusters, grids)  are heterogeneous and constantly evolving. Software components models offer a promising perspective to manage this double complexity because they can express interactions between the different parts of an application while providing abstraction of resources. However, existing models cannot accurately express the applications made of dynamic and hierarchical patterns. The aim of this thesis is to improve the existing models, and in particular the generic platform for numerical simulation SALOME, for a class of widespread applications : applications based on domain decomposition, and its dynamic variant using adaptive mesh refinement. Firstly, we proposed to extend the spatial and temporal composition model provided by SALOME, by adding the ability to dynamically set component cardinality. This requires in particular to manage group communications induced. The proposal has been implemented into SALOME and validated via a domain decomposition application based on coupling several instances of Code_Aster.Then, we have studied the relevance of using a component model supporting native connectors (MPI, shared memory, method invocation), in order to allow finer composition interactions between components.The experiment results show that performances obtained are equivalent to those of the native versions, while allowing to easily manipulate the application architecture. Finally, we studied the necessary component models extensions (abstraction, hierarchy, dynamicity) for designing adaptative mesh refinement applications. The most advanced spatio-temporal component models can express this type of application but performances are limited by their centralized implementation and by the lack of efficient ways of modifying component assembling at execution time.

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.

Avec l’émergence de plates-formes distribuées très hétérogènes, dynamiques et à large-échelle, la nécessité d’un moyen de les programmer efficacement et de les gérer a surgi. Le concept de l’informatique autonomique propose de créer des systèmes autogérables — des systèmes qui sont conscients de leurs composants et de leur environnement, et peuvent se configurer, s’optimiser, se guérir et se protéger. Dans le cadre de la réalisation de tels systèmes, la programmation déclarative, dont l’objectif est de faciliter la tâche du programmeur en séparant le contrôle de la logique du calcul, a retrouvé beaucoup d’intérêt ce dernier temps. En particulier, la programmation à base de des règles est considérée comme un modèle prometteur dans cette quête pour des abstractions de programmation adéquates pour ces plates-formes. Cependant, bien que ces modèles gagnent beaucoup d’attention, ils créent une demande pour des outils génériques capables de les exécuter à large échelle. Le modèle de programmation chimique, qui a été conçu suite à la métaphore chimique, est un modéle de programmation à bas de règles et d’ordre supérieur, avec une exécution non-déterministe modèle, où les règles sont appliquées simultanément sur un multi-ensemble de données. Dans cette thèse, nous proposons la conception, le développement et l’expérimentation d’un intergiciel distribué pour l’exécution de programmes chimique sur des plates-formes à large échelle et génériques. L’architecture proposée combine une couche de communication pair-à-pair avec un protocole de capture atomique d’objets sur lesquels les règles doivent être appliquées, et un système efficace de détection de terminaison. Nous décrivons le prototype d’intergiciel mettant en œuvre cette architecture. Basé sur son déploiement dans un banc d’essai réel, nous présentons les résultats de performance, qui confirment les complexités analytiques obtenues et montrons expérimentalement la viabilité d’un tel modèle de programmation. / With the emergence of highly heterogeneous, dynamic and large distributed platforms, the need for a way to efficiently program and manage them has arisen. The concept of autonomic computing proposes to create self-manageable systems — systems which are aware of their components and their environment, and can configure, optimise, heal and protect themselves. In the context of realisation of such systems, declarative programming, whose goal is to ease the programmer’s task by separating the control from the logic of a computation, has regained a lot of interest recently. In particular, rule-based programming is regarded as a promising model in this quest for adequate programming abstractions for these platforms. However, while these models are gaining a lot of attention, there is a demand for generic tools able to run such models at large scale. The chemical programming model, which was designed following the chemical metaphor, is a higher-order, rule-based programming model, with a non-deterministic execution model, where rules are applied concurrently on a multiset of data. In this thesis, we propose the design, development, and experimentation of a distributed chemical runtime for generic, largely-distributed platforms. The architecture proposed combines a peer-to-peer communication layer with an adaptive protocol for atomically capturing objects on which rules should be applied, and an efficient termination-detection scheme. We describe the software prototype implementing this architecture. Based on its deployment over a real-world test-bed, we present its performance results, which confirm analytically obtained complexities, and experimentally show the sustainability of such a programming model.

Les intergiciels sont aujourd'hui incontournables lorsqu'il s'agit de développer des applications réparties. Des simples Web Services aux architectures n-tiers, d'une unique communication client / serveur à un réseau dynamique pair-à-pair, chaque conception requiert des outils adaptés et performants. En complément de chaque utilisation spécifique des intergiciels, leur contexte de déploiement nécessite des mécanismes particuliers afin de s'adapter au mieux à la situation.<br /><br />Face à ces besoins, les intergiciels proposent des modèles de programmation et de communication différents, fournissant des moyens de communication efficaces dans certaines situations.<br /><br />La mobilité introduit une problématique supplémentaire pour ces intergiciels. D'une part l'interopérabilité devient inévitable ; le nombre de composants répartis susceptibles d'être utilisés en mobilité est immense, et les composants peuvent être développés avec différents intergiciels. D'autre part le contexte varie, et avec lui les conditions et capacités de communication évoluent.<br /><br />Nous traitons dans cette thèse des impératifs actuels d'un intergiciel en mobilité. Nous proposons pour cela une approche multi-modèles, basée sur les travaux actuels dans ce domaine, et présentant des concepts novateurs.<br /><br />Cette approche se compose d'un modèle de programmation générique, proposant différents types de communications synchrones, asynchrones, et basées sur des patrons de conception. Elle se compose également d'une combinaison de modèles de communication, assurant l'interopérabilité avec les intergiciels standards, et offrant des possibilités de communications enrichies, capables de s'adapter aux changements de contextes.<br />Des politiques d'adaptation définissent les règles de combinaison des modèles en fonction d'observations du contexte, afin de se comporter au mieux face à ses évolutions.<br />Des mécanismes d'adaptation dynamique permettent à notre approche de proposer une prise en compte en temps réel des changements de contexte, et permettent également de reconfigurer le système pendant son exécution afin de répondre à des besoins de déploiement.<br /><br />Nous avons validé notre approche au travers d'une application concrète aux problèmes engendrés par l'utilisation d'un proxy Internet à bord des trains : le développement d'un greffon multi-modèles a illustré et justifié notre approche, et l'évaluation de ce greffon a montré les bénéfices de celle-ci face aux changements de contexte.<br />Pour implémenter entièrement notre approche et proposer ainsi un intergiciel multi-modèles, nous avons conçu et développé notre infrastructure logicielle multi-modèles, proposant tous les concepts de l'approche. Une première version "statique" puis une version finale offrant les mécanismes d'adaptation dynamique ont été implémentées et permettent ainsi de profiter des bénéfices de notre approche multi-modèles.

Avec l'émergence de plates-formes distribuées très hétérogènes, dynamiques et à large échelle, la nécessité d'un moyen de les programmer efficacement et de les gérer est apparu. Le concept de l'informatique autonomique propose de créer des systèmes auto-gérés c'est-à-dire des systèmes qui sont conscients de leurs composants et de leur environnement, et peuvent se configurer, s'optimiser, se réparer et se protéger. Dans le cadre de la réalisation de tels systèmes, la programmation déclarative, dont l'objectif est de faciliter la tâche du programmeur en séparant le contrôle de la logique du calcul, a retrouvé beaucoup d'intérêt ces derniers temps. En particulier, la programmation à base de des règles est considérée comme un modèle prometteur dans cette quête d'abstractions de programmation adéquates pour ces plates-formes. Cependant, bien que ces modèles gagnent beaucoup d'attention, ils créent une demande pour des outils génériques capables de les exécuter à large échelle. Le modèle de programmation chimique, qui a été conçu suivant la métaphore chimique, est un modèle de programmation à bas de règles et d'ordre supérieur, avec une exécution non-déterministe, où les règles sont appliquées de façon concurrente sur un multi ensemble de données. Dans cette thèse, nous proposons la conception, le développement et l'expérimentation d'un intergiciel distribué pour l'exécution de programmes chimique sur des plates-formes à large échelle et génériques. L'architecture proposée combine une couche de communication pair-à-pair avec un protocole de capture atomique d'objets sur lesquels les règles doivent être appliquées, et un système efficace de détection de terminaison. Nous décrivons le prototype d'intergiciel mettant en oeuvre cette architecture. En s'appuyant sur son déploiement sur une plate-forme expérimentale à large échelle, nous présentons les résultats de performance, qui confirment les complexités analytiques obtenues et montrons expérimentalement la viabilité d'un tel modèle de programmation.