L'objectif des travaux présentés est la conception etl'implémentation d'outils d'aide à la mise au point d'applications parallèles, pour en éliminer les erreurs de logique et de performance. Les plateformes parallèles cibles sont des grappes de plusieurs dizaines de noeuds multiprocesseurs. Les programmes parallèles considérés mettent en oeuvre un réseau de fils d'exécution \textit((threads)) évoluant dynamiquement et qui communiquent par mémoire commune à l'intérieur d'un même noeud et par passage de message entre deux noeuds distincts. Deux problèmes sont abordés principalement. Tout d'abord, la recherche d'erreurs fugitives provenant de l'indéterminisme du modèle de programmation est traitée par l'adaptation de méthodes de ré-exécution déterministe à ce modèle. L'autre problème est la complexité de la dynamique des exécutions de programmes parallèles, qui rend difficile leur compréhension et l'identification des erreurs. Un outil de visualisation interactif, «scalable» et extensible, basé sur l'analyse de traces d'exécution, permet de faciliter cette compréhension. Les difficultés que pose l'intégration des outils développés dans un environnement cohérent de mise au point sont ensuite identifiées et des solutions sont esquissées.

Cette thèse s'est déroulée au sein du projet APACHE (CNRS-INPG-INRIA-UJF) dont l'objectif est l'étude de l'ensemble des aspects liés à la mise en oeuvre efficace et portable d'applications irrégulières et dont les études sont concrétisées par l'environnement Athapascan. Dans l'environnement Athapascan le «débogage pour les performances» est basé sur le traçage logiciel des exécutions des applications parallèles suivi de l'analyse des traces et de la visualisation des exécutions tracées. L'objectif de la thèse était de fournir aux programmeurs un outil de visualisation les aidant à identifier les "erreurs de performances" de leurs programmes en leur donnant une représentation aussi claire que possible de l'exécution de ces programmes. La principale contribution de la thèse est la conception et la réalisation d'un outil appelé Pajé combinant les trois propriétés essentielles d'interactivité, d'extensibilité et d'aptitude au passage à l'échelle. L'extensibilité permet de prendre en compte l'absence de stabilisation des modèles de programmation parallèles et d'offrir la possibilité d'ajouter à Pajé des visualisations non envisagées lors de sa conception. Elle est assurée par une architecture en graphe de modules génériques, communiquants par des protocoles bien spécifiés. L'interactivité donne au programmeur le contrôle sur la visualisation par des actions telles que déplacement dans le temps ou inspection du contenu des objets visualisés, etc. Pour limiter le volume de données qu'elle implique de conserver en mémoire, une structure de données appelée fenêtre de visualisation a été définie ainsi que les algorithmes permettant de la faire glisser efficacement dans le temps. L'aptitude au passage à l'échelle est liée à la capacité de représenter un nombre potentiellement important d'objets graphiques (processus légers, communications, tâches, etc...) évoluant dynamiquement. Elle est essentiellement assurée en facilitant la visualisation à différents niveaux d'abstraction, en sorte que le passage d'un niveau à un autre simule une action de zoom.

Cette thèse combine le calcul haute performance à la réalité virtuelle par son apport de méthodes de calcul parallèle pour l'animation d'objets 3D en synthèse d'image. Son application vise plus particulièrement le domaine de la simulation de textiles par modèles physiques. Les lois fondamentales de la dynamique ont en effet été employées pour modéliser le mouvement de plusieurs objets dans un souci de réalisme. Les modèles employés étant numériquement complexes, le calcul d'une image en séquentiel varie de la seconde à plusieurs minutes suivant la complexité du modèle. L'objectif a été de diminuer ce temps par la parallélisation des algorithmes et l'exécution sur grappes de machines multiprocesseurs afin d'obtenir des animations en temps réel. Différentes méthodes d'intégration des équations du mouvement ont été implantées en parallèle. Dans le cas de l'emploi de méthodes implicites, les opérations coûteuses en calcul proviennent de la résolution de systèmes linéaires par la méthode du Gradient Conjugué impliquant des opérations d'algèbre linéaire de type multiplications de matrices creuses et de vecteurs. Ce projet de thèse a contribué à l'obtention de nouvelles structures algorithmiques parallèles efficaces avec l'obtention d'algorithmes asynchrones. Il a également permis de valider l'approche de l'environnement de programmation parallèle Athapascan (projet INRIA-APACHE) avec la mise au point d'applications avec des contraintes temps réel mou ainsi que le contrôle dynamique de son ordonnanceur. Durant ce projet de thèse, un couplage entre la simulation parallèle de textiles et son affichage utilisant l'environnement de visualisation multi-écrans Net Juggler a également été réalisé en faisant communiquer efficacement ces deux programmes parallèles.

L’objectif de ma thèse est d'étudier la propagation des ondes acoustiques dans les milieux poreux. La théorie de l'homogénéisation (Boutin et Auriault, 1990; Malinouskaya, 2007; Li, 2010) est utilisée avec les modèles de réseaux tels que LBM, LSM, LSM2S, LBM-LSM, LBM-LSM2S. Ces modèles nous permettent de déterminer les propriétés macroscopiques, les vitesses acoustiques et les effets d'atténuation dans les échantillons Fontainebleau avec deux composants (pores et quartz) et les échantillons STATOIL avec trois composantes (pores, quartz et d'argile). La modélisation numérique vise à résoudre 3 problèmes. Le premier problème est la caractérisation des échantillons; par la détermination de la porosité et des fonctions de corrélation avec les composantes de Fourier correspondantes (Adler, 1992; Nguyen, 2013). Le second porte sur la propagation des ondes dans les échantillons secs; les vitesses sont dérivées du tenseur de rigidité efficace C(eff) qui peut être calculé par LSM (Pazdniakou, 2012) ou LSM2S. Le troisième problème correspond aux échantillons saturés par un fluide incompressible ou compressible; les vitesses sont obtenues par résolution de l'équation de Christoffel après les déterminations de C(eff), fr la perméabilité dynamique K et ses réactions à la pression de fluide α et β. Pour les échantillons de Fontainebleau, les calculs sont effectués avec des modèles pré-existents tels que LSM, LBM, LBM-LSM. Ces modèles de bases sont étendus pour milieux avec plusieurs composants solides; ils sont validés via des comparaisons avec d’autres méthodes (Nemat-Nasser et Iwakuma, 1982; Torquato, 1998, 2000; Cohen, 2004). Les vitesses, le module d’élasticité et cisaillement efficace de tous les échantillons secs ainsi que les vitesses et l'atténuation des ondes dans les échantillons saturés sont déterminés. Les séries de résultats obtenues concordent bien avec des corrélations empiriques et théoriques, tels que le modèle d’IOS d’ Arns (1996), les modèles empiriques de Nur et al. (1991), Krief (1990) et avec le modèle de Gassmann. Les résultats numériques sont un peu plus grands que les données expérimentales d’ Han (1986) et de Gomez et al. (2010); les raisons de cette petite différence ont été provisoirement analysées, mais sa cause n'a pas été identifiée sans ambiguïté. / The purpose of this Ph.D. thesis is to study acoustic waves in porous media. The homogenization theory (Boutin and Auriault, 1990; Malinouskaya, 2007; Li, 2010) is used together with the lattice models such as LBM, LSM, LSM2S, LBM-LSM, LBM-LSM2S in order to determine the macroscopic properties, the acoustic velocities, the attenuation effects in Fontainebleau samples with two components (pore and quartz) and in STATOIL samples with three components (pore, quartz and clay). Three problems are studied numerically in this work. The first problem is devoted to characterizations of samples; this is done with the determination of the porosity and of the correlation functions with the corresponding Fourier components (Adler, 1992; Nguyen, 2013). The second one addresses wave propagation in dry samples; the velocities are derived from the effective stiffness tensor C(eff) which can be calculated by LSM (Pazdniakou, 2012) or LSM2S. The third one corresponds to samples saturated by incompressible or compressible fluids; the velocities can be obtained from the Christoffel equation after determining C(eff) , the dynamic permeability K and the reactions to fluid pressure α and β. For Fontainebleau samples, the calculations are performed with basic existing models such as LSM, LBM, LBM-LSM. These basic models are extended to solids with multiple components; they are validated by comparisons with others (Nemat-Nasser and Iwakuma, 1982; Torquato, 1998, 2000; Cohen, 2004). The velocities, the effective bulk and shear modulus of all the dry samples as well as the velocities and the attenuation effected in saturated samples are determined. These results are in good agreement compared with existing models and results, such as the IOS model of Arns (1996), the empirical models of Nur et al. (1991), Krief (1990) and with Gassmann’ s model. The numerical results are slightly larger than the experimental data of Han (1986) and Gomez et al. (2010); the origin of this small discrepancy has been tentatively analyzed, but its cause has not been unambiguously identified.

La vérification à l’exécution est une méthode formelle légère qui consiste à vérifier qu’une exécution d’un système est correcte par rapport à une spécification. La spécification exprime de manière rigoureuse le comportement attendu du système, en utilisant généralement des formalismes basés sur la logique ou les machines à états finies. Alors que la verification a l’éxecution traite les systèmes monolithiques de manière exhaustive, plusieurs difficultés se présentent lors de l’application des techniques existantes à des systèmes décentralisés, c-à-d. des systèmes avec plusieurs composants sans point d’observation central. Dans cette thèse, nous nous concentrons particulièrement sur trois problèmes : la gestion de l’information partielle, la séparation du déploiement des moniteurs du processus de vérification lui-même et le raisonnement sur la décentralisation de manière modulaire et hiérarchique. Nous nous concentrons sur la notion de spécification décentralisée dans laquelle plusieurs spécifications sont fournies pour des parties distinctes du système. Utiliser une spécification décentralisée a divers avantages tels que permettre une synthèse de moniteurs à partir des spécifications complexes et la possibilité de modulariser les spécifications. Nous présentons également un algorithme de vérification général pour les spécifications décentralisées et une structure de données pour représenter l’exécution d’un automate avec observations partielles. Nous développons l’outil THEMIS, qui fournit une plateforme pour concevoir des algorithmes de vérification décentralisée, des mesures pour les algorithmes, une simulation et des expérimentations reproductibles pour mieux comprendre les algorithmes.Nous illustrons notre approche avec diverses applications. Premièrement, nous utilisons des spécifications décentralisées pour munir une analyse de pire cas, adapter, comparer et simuler trois algorithmes de vérification décentralisée existants dans deux scénarios: l’interface graphique Chiron, et des traces et spécifications générées aléatoirement. Deuxièmement, nous utilisons des spécifications décentralisées pour vérifier diverses propriétés dans un appartement intelligent: correction du comportement des capteurs de l’appartement, détection d’activité spécifiques de l’utilisateur (Activities of Daily Living, ADL) et composition de spécifications des deux catégories précédentes.En outre, nous élaborons sur l’utilisation de spécifications décentralisées pour la vérification décentralisée pendant l’exécution de programmes parallélisés. Nous commençons par discuter les limitations des approches et des outils existants lorsque les difficultés introduites par le parallélisme sont rencontrées. Nous détaillons la description de zones de parallélisme d’une unique exécution d’un programme et décrivons une approche générale qui permet de réutiliser des techniques de verification à l’éxécution existantes. Dans notre configuration, les moniteurs sont déployés dans des fils d’exécution spécifiques et échangent de l’information uniquement lorsque des points de synchronisation définis par le programme lui-même sont atteints. En utilisant les points de synchronisation existants, notre approche réduit les interférences et surcoûts résultant de la synchronisation, au prix d’un retard pour déterminer le verdict. / Runtime Verification (RV) is a lightweight formal method which consists in verifying that a run of a system is correct with respect to a specification. The specification formalizes the behavior of the system typically using logics or finite-state machines. While RV comprehensively deals with monolithic systems, multiple challenges are presented when scaling existing approaches to decentralized systems, that is, systems with multiple components with no central observation point. We focus particularly on three challenges: managing partial information, separating monitor deployment from the monitoring process itself, and reasoning about decentralization in a modular and hierarchical way. We present the notion of a decentralized specification wherein multiple specifications are provided for separate parts of the system. Decentralized specifications provide various advantages such as modularity, and allowing for realistic monitor synthesis of the specifications. We also present a general monitoring algorithm for decentralized specifications, and a general datastructure to encode automata execution with partial observations. We develop the THEMIS tool, which provides a platform for designing decentralized monitoring algorithms, metrics for algorithms, and simulation to better understand the algorithms, and design reproducible experiments.We illustrate the approach with two applications. First, we use decentralized specifications to perform a worst-case analysis, adapt, compare, and simulate three existing decentralized monitoring algorithms on both a real example of a user interface, and randomly generated traces and specifications. Second, we use decentralized specifications to check various specifications in a smart apartment: behavioral correctness of the apartment sensors, detection of specific user activities (known as activities of daily living), and composition of properties of the previous types.Furthermore, we elaborate on utilizing decentralized specifications for the decentralized online monitoring of multithreadedprograms. We first expand on the limitations of existing tools and approaches when meeting the challenges introduced by concurrency and ensure that concurrency needs to be taken into account by considering partial orders in traces. We detail the description of such concurrency areas in a single program execution, and provide a general approach which allows re-using existing RV techniques. In our setting, monitors are deployed within specific threads, and only exchange information upon reaching synchronization regions defined by the program itself. By using the existing synchronization, we reduce additional overhead and interference to synchronize at the cost of adding a delay to determine the verdict.

Cette thèse est une contribution à l'étude du placement dynamique de processus sur des machines multiprocesseurs à mémoire distribuée. Le contexte de notre travail est celui de la simulation et de l'évaluation de l'exécution d'applications dont le nombre de processus et le moment de leur création dépendent de l'exécution en cours. Nous proposons un nouvel algorithme évolutif de placement dynamique de processus de type approximatif, avec des éléments de contrôle et d'information distribués. A chaque noeud X d'une machine parallèle est associé un sous-ensemble de processeurs avec lesquels il peut partager sa charge de manière équitable. Ce sous-ensemble est appelé la Solution de Placement (SP) du noeud. La Solution de Placement initiale d'un noeud X est composée du sous-ensemble des noeuds directement connectés au noeud X. La décision de placement d'un processus est faite au moment de sa création, il peut alors être placé sur le noeud sur lequel il a été créé ou bien sur un des noeuds de sa SP. Sous l'effet de certains opérateurs (declin, croissance, fusion, remplacement, rotation) la Solution de Placement d'un noeud évolue au cours de l'exécution de l'application ce qui permet une répartition et un équilibrage des charges des noeuds. Pour étudier le comportement de l'algorithme évolutif, nous avons utilisé le simulateur séquentiel SIMAD qui est un outil conçu pour évaluer les algorithmes d'allocation dynamique de charge sur des machines MIMD à mémoire distribuée. Le deuxième apport de cette thèse est la définition et l'intégration dans SIMAD d'un langage synthétique qui permet de décrire des applications parallèles avec des graphes de communication généraux. Le document se termine par la présentation d'une partie des résultats de l'ensemble des expériences que nous avons menées, dans le but d'évaluer les performances et le comportement de notre approche du placement dynamique de processus. Deux types de résultats sont présentés et analysés. Tout d'abord nous recherchons l'influence de certains paramètres (la taille maximale des SP, l'actualisation des SP, le nombre de processus par niveau de charge et l'opérateur de fusion) sur le comportement de l'algorithme évolutif. Ensuite, une étude comparative avec d'autres méthodes de placement dynamique permet de mettre en évidence les performances de notre approche.

Dû à la complexité des algorithmes de traitement d’images récents et dans le but d'accélérer la procédure de la conception des MPSoCs, méthodologies de prototypage rapide sont nécessaires pour fournir différents choix pour le programmeur de générer des programmes parallèles efficaces. Ce manuscrit présente les travaux menés pour proposer une méthodologie de prototypage rapide permettant la conception des architectures MPSOC ainsi que la génération automatique de système matériel / logiciel dédié un circuit reprogrammable (FPGA). Pour faciliter la programmation parallèle, l'approche MPSoC proposée est basée sur l’utilisation de Framework « CubeGen » qui permet la génération des différentes solutions envisageables pour réaliser des prototypes dans le domaine du traitement d’image. Ce document décrit une méthode basée sur le concept des squelettes générés en fonction des caractéristiques d'application afin d'exploiter tous les types de parallélisme des algorithmes réels. Un ensemble d’expérimentations utilisant des algorithmes courants permet d’évaluer les performances du flot de conception proposé équivalente à une architecture basé des processeurs hardcore et les solutions traditionnels basé sur cibles ASIC. / Due to the complexity of image processing algorithms and the restrictions imposed by MPSoC designs to reach their full potentials, automatic design methodologies are needed to provide guidance for the programmer to generate efficient parallel programs. In this dissertation, we present a MPSoC-based design methodology solution supporting automatic design space exploration, automatic performance evaluation, as well as automatic hardware/software system generation. To facilitate the parallel programming, the presented MPSoC approach is based on a CubeGen framework that permits the expression of different scenarios for architecture and algorithmic design exploring to reach the desired level of performance, resulting in short time development. The generated design could be implemented in a FPGA technology with an expected improvement in application performance and power consumption. Starting from the application, we have evolved our effective methodology to provide several parameterizable algorithmic skeletons in the face of varying application characteristics to exploit all types of parallelism of the real algorithms. Implementing such applications on our parallel embedded system shows that our advanced methods achieve increased efficiency with respect to the computational and communication requirements. The experimental results demonstrate that the designed multiprocessing architecture can be programmed efficiently and also can have an equivalent performance to a more powerful designs based hard-core processors and better than traditional ASIC solutions which are too slow and too expensive.

L'objectif de cette thèse est l'étude d'un environnement d'exécution pour machines parallèles sans mémoire commune. Elle comprend la définition d'un modèle de programme parallèle, basé sur l'échange de message offrant une forme restreinte de mémoire partagée. La communication est indirecte, via des portes; les processus utilisent les barrières pour la synchronisation. Les entités du système. processus, portes et barrières, sont créées dynamiquement, et placées sur un processeur quelconque du réseau de processeurs de façon explicite. Nous proposons une implantation de ce modèle comme la mise en oeuvre systématique d'une architecture client/serveur. Cette implantation a été efféctuée sur une machine Supemode. La base est un Micro Noyau Parallèle, où le composant principal est un mécanisme d'appel de procédure à distance minimal. / This thesis describes an execution environment for parallel machines without shared memory. A parallel programming model based on message passing, with a special shared memory. In this model, process communication occurs indirectly, via ports, and the processes use barriers for synchronization. All the entities of the system, such as processes, ports and barriers, are created dynamically and loaded on any processor of the network of processors. The implementation architecture of our model is a systematic realization of the client/server model. An implementation is proposed in a Supernode parallel machine as a parallel micro kernel. The principal parallel micro kernel component is a minimal remote procedure call mechanism.

L'objectif de cette thèse est l'étude d'un environnement d'exécution pour machines parallèles sans mémoire commune. Elle comprend la définition d'un modèle de programme parallèle, basé sur l'échange de message offrant une forme restreinte de mémoire partagée. La communication est indirecte, via des portes; les processus utilisent les barrières pour la synchronisation. Les entités du système. processus, portes et barrières, sont créées dynamiquement, et placées sur un processeur quelconque du réseau de processeurs de façon explicite. Nous proposons une implantation de ce modèle comme la mise en oeuvre systématique d'une architecture client/serveur. Cette implantation a été efféctuée sur une machine Supemode. La base est un Micro Noyau Parallèle, où le composant principal est un mécanisme d'appel de procédure à distance minimal. / This thesis describes an execution environment for parallel machines without shared memory. A parallel programming model based on message passing, with a special shared memory. In this model, process communication occurs indirectly, via ports, and the processes use barriers for synchronization. All the entities of the system, such as processes, ports and barriers, are created dynamically and loaded on any processor of the network of processors. The implementation architecture of our model is a systematic realization of the client/server model. An implementation is proposed in a Supernode parallel machine as a parallel micro kernel. The principal parallel micro kernel component is a minimal remote procedure call mechanism.

L'objectif de cette thèse est l'étude d'un environnement d'exécution pour machines parallèles sans mémoire commune. Elle comprend la définition d'un modèle de programme parallèle, basé sur l'échange de message offrant une forme restreinte de mémoire partagée. La communication est indirecte, via des portes; les processus utilisent les barrières pour la synchronisation. Les entités du système. processus, portes et barrières, sont créées dynamiquement, et placées sur un processeur quelconque du réseau de processeurs de façon explicite. Nous proposons une implantation de ce modèle comme la mise en oeuvre systématique d'une architecture client/serveur. Cette implantation a été efféctuée sur une machine Supemode. La base est un Micro Noyau Parallèle, où le composant principal est un mécanisme d'appel de procédure à distance minimal. / This thesis describes an execution environment for parallel machines without shared memory. A parallel programming model based on message passing, with a special shared memory. In this model, process communication occurs indirectly, via ports, and the processes use barriers for synchronization. All the entities of the system, such as processes, ports and barriers, are created dynamically and loaded on any processor of the network of processors. The implementation architecture of our model is a systematic realization of the client/server model. An implementation is proposed in a Supernode parallel machine as a parallel micro kernel. The principal parallel micro kernel component is a minimal remote procedure call mechanism.