Dans cette étude, nous nous intéressons aux outils de génération de logiciel embarqué ciblant des plateformes multi-tuiles hétérogènes. Dans ces plateformes, un système sur puce multiprocesseurs hétérogène (ou tuile) est répliqué et connecté par des réseaux externes à la tuile, extensibles et commutés par paquets. Ces outils se basent sur une représentation abstraite de l'architecture, de l'application et du déploiement des éléments applicatifs sur les éléments de l'architecture. Programmer de zéro ces architectures complexes n'est pas concevable, cependant nous ne pouvons nous contenter des environnements de programmation embarqués classiques en raison de l'hétérogénéité de la tuile de base, qui embarque des RISCs, des DSPs et une infrastructure interne à la tuile non uniforme et complexe. L'un des enjeux dans ce contexte est de masquer cette complexité au programmeur de l'application pour qu'il puisse se concentrer sur l'écriture de son programme sans se soucier dans un premier temps de son déploiement sur la plateforme cible. L'une des difficultés des systèmes multi-tuiles est le nombre de chemins de communication que ceux-ci proposent, c'est pourquoi nous nous concentrons dans ce manuscrit sur la gestion (transparente pour le programmeur) des communications dans notre flot. Nous définissons donc les informations minimales à inclure dans le modèle d'entrée du flot pour arriver à synthétiser les communications de l'application. Grâce à ces informations, nous arrivons à puiser les composants logiciels de communication adéquats, qui se présentent sous la forme de pilotes d'un système d'exploitation. Cette sélection n'est pas suffisante, il faut ensuite spécialiser ces composants pour chaque canal de communication de l'application afin d'arriver à un résultat correct. En raison du nombre d'unités de calcul de la plateforme ciblée et du nombre de canaux des applications considérées, une automatisation totale du flot est requise, nous abordons donc les difficultés que cela représente en raison du processus de compilation croisé mis en jeu par le flot, et la solution que nous avons retenue pour arriver à un flot fonctionnel. Trois applications (dont une appartenant au monde du calcul de haute performance), écrites par des programmeurs ne maîtrisant pas la plateforme multi-tuiles choisie, ont été soumises à notre flot, qui a généré de manière correcte plusieurs déploiements de ces applications.

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.

Les applications scientifiques posent un véritable défi de par leur complexité et la quantité de données qu'elles traitent. Leur exécution nécessite l'utilisation de ressources matérielles complexes et variées comme les super-calculateurs, les grappes et les grilles de calcul. Les modèles de composants logiciels et en particulier ceux qui proposent des schémas de composition adaptés au calcul à haute performance offrent une piste intéressante pour leur développement. Ces derniers permettent aux applications de s'abstraire des ressources d'exécution et de favoriser ainsi les performances à l'exécution sur une grande gammes d'architectures. Ces modèles restent toutefois limités à un ensemble restreint de schémas de composition. Il en résulte une multiplication des modèles dès que de nouvelles formes de composition apparaissent nécessaires, ce qui est dommageable à l'objectif de réutilisation. La complexité de modifier un modèle existant pour y intégrer de nouveaux opérateurs de composition défavorise aussi ces efforts. Cette thèse propose un modèle de composants logiciels appelé HLCM dans lequel de nouveaux opérateurs de composition peuvent être introduits sans modification du modèle. Ceci est rendu possible par l'introduction en son sein de quatre concepts : la hiérarchie, les connecteurs, la généricité et le choix de mise en œuvre. Afin de favoriser la réutilisation de l'existant, ce modèle est abstrait et il est rendu concret dans des spécialisations qui s'appuient sur les éléments primitifs de modèles existants. Au cours de ces travaux, nous avons étudié comment le concept de généricité pouvait s'appliquer aux modèles de composants et nous avons proposé une approche pour l'y intégrer. Nous avons étudié les interactions problématiques entre les concepts de connecteur et de hiérarchie et avons offert une solution s'appuyant sur une nouvelle approche pour la description des connexions entre composants. Finalement, nous avons proposé une approche pour la mise en œuvre de HLCM qui s'appuie sur des principes issus de l'ingénierie basée sur les modèles. Ces travaux ont été validés en développant un prototype de mise en œuvre de HLCM/CCM, une spécialisation de HLCM qui s'appuie sur le modèle de composant de Corba (CCM). Il a été utilisé pour décrire des interactions complexes entre composants (mémoire partagée et appels de méthode parallèles) et assurer une exécution efficace sur des ressources matérielles variées, notamment sur Grid'5000.

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 ressources de calcul à haute performance (High-Performance Computing—HPC), telles que les supercalculateurs, les grappes, les grilles de calcul ou les Clouds HPC, sont gérées par des gestionnaires de ressources (Resource Management System—RMS) qui multiplexent les ressources entre plusieurs utilisateurs et décident comment allouer les nœuds de calcul aux applications des utilisateurs. Avec la multiplication de machines péta-flopiques et l’arrivée des machines exa-flopiques attendue en 2020, l’optimisation de l’allocation des ressources aux applications est essentielle pour assurer que leur exécution soit efficace. Cependant, les RMSs existants, tels que les batch schedulers, n’offrent qu’une interface restreinte. Dans la plupart des cas, l’application doit choisir les ressources « aveuglément » lors de la soumission sans pouvoir adapter son choix à l’état des ressources ciblées, ni avant, ni pendant l’exécution.Le but de cette Thèse est d’améliorer la gestion des ressources, afin de permettre aux applications d’allouer des ressources efficacement. Pour y parvenir, nous proposons des architectures logicielles qui favorisent la collaboration entre les applications et le gestionnaire de ressources, permettant ainsi aux applications de négocier les ressources qu’elles veulent utiliser. À cette fin, nous analysons d’abord les types d’applications et leurs besoins en ressources, et nous les divisons en plusieurs catégories : rigide, modelable, malléable et évolutive. Pour chaque cas, nous soulignons les opportunités d’amélioration de la gestion de ressources. Une première contribution traite les applications modelables, qui négocient les ressources seulement avant leur démarrage. Nous proposons CooRMv1, une architecture RMS centralisée, qui délègue la sélection des ressources aux lanceurs d’application. Des simulations montrent qu’un tel système se comporte bien en termes d’extensibilité et d’équité. Les résultats ont été validés avec un prototype déployé sur la plate-forme Grid’5000. Une deuxième contribution se focalise sur la négociation des allocations pour des ressources géographiquement distribuées qui appartiennent à plusieurs institutions. Nous étendons CooRMv1 pour proposer distCooRM, une architecture RMS distribuée, qui permet aux applications modelables de co-allouer efficacement des ressources gérées par plusieurs agents indépendants. Les résultats de simulation montrent que distCooRM se comporte bien et passe à l’échelle pour un nombre raisonnable d’applications. Ensuite, nous nous concentrons sur la négociation des ressources à l’exécution pour mieux gérer les applications malléables et évolutives. Nous proposons CooRMv2, une architecture RMS centralisée, qui permet l’ordonnancement efficace des applications évolutives, et surtout celles dont l’évolution n’est pas prévisible. Une application peut faire des « pré-allocations » pour exprimer ses pics de besoins en ressources. Cela lui permet de demander dynamiquement des ressources, dont l’allocation est garantie tant que la pré-allocation n’est pas dépassée. Les ressources pré-allouées mais inutilisées sont à la disposition des autres applications. Des gains importants sont ainsi obtenus, comme les simulations que nous avons effectuées le montrent.Enfin, nous partons de logiciels utilisés en production pour illustrer l’intérêt, mais aussi la difficulté, d’améliorer la collaboration entre deux systèmes existants. Avec GridTLSE comme application et DIET comme RMS, nous avons trouvé un cas d’utilisation mal supporté auparavant. Nous identifions le problème sous-jacent d’ordonnancement des calculs optionnels et nous proposons une architecture pour le résoudre. Des expériences réelles sur la plate-forme Grid’5000 montrent que plusieurs métriques peuvent être améliorées, comme par exemple la satisfaction des utilisateurs, l’équité et le nombre de requêtes traitées. En outre, nous montrons que cette solution présente une bonne extensibilité. / High-Performance Computing (HPC) resources, such as Supercomputers, Clusters, Grids and HPC Clouds, are managed by Resource Management Systems (RMSs) that multiple resources among multiple users and decide how computing nodes are allocated to user applications. As more and more petascale computing resources are built and exascale is to be achieved by 2020, optimizing resource allocation to applications is critical to ensure their efficient execution. However, current RMSs, such as batch schedulers, only offer a limited interface. In most cases, the application has to blindly choose resources at submittal without being able to adapt its choice to the state of the target resources, neither before it started nor during execution. The goal of this Thesis is to improve resource management, so as to allow applications to efficiently allocate resources. We achieve this by proposing software architectures that promote collaboration between the applications and the RMS, thus, allowing applications to negotiate the resources they run on. To this end, we start by analysing the various types of applications and their unique resource requirements, categorizing them into rigid, moldable, malleable and evolving. For each case, we highlight the opportunities they open up for improving resource management.The first contribution deals with moldable applications, for which resources are only negotiated before they start. We propose CooRMv1, a centralized RMS architecture, which delegates resource selection to the application launchers. Simulations show that the solution is both scalable and fair. The results are validated through a prototype implementation deployed on Grid’5000. Second, we focus on negotiating allocations on geographically-distributed resources, managed by multiple institutions. We build upon CooRMv1 and propose distCooRM, a distributed RMS architecture, which allows moldable applications to efficiently co-allocate resources managed by multiple independent agents. Simulation results show that distCooRM is well-behaved and scales well for a reasonable number of applications. Next, attention is shifted to run-time negotiation of resources, so as to improve support for malleable and evolving applications. We propose CooRMv2, a centralized RMS architecture, that enables efficient scheduling of evolving applications, especially non-predictable ones. It allows applications to inform the RMS about their maximum expected resource usage, through pre-allocations. Resources which are pre-allocated but unused can be filled by malleable applications. Simulation results show that considerable gains can be achieved. Last, production-ready software are used as a starting point, to illustrate the interest as well as the difficulty of improving cooperation between existing systems. GridTLSE is used as an application and DIET as an RMS to study a previously unsupported use-case. We identify the underlying problem of scheduling optional computations and propose an architecture to solve it. Real-life experiments done on the Grid’5000 platform show that several metrics are improved, such as user satisfaction, fairness and the number of completed requests. Moreover, it is shown that the solution is scalable.

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.

Les propriétés mécaniques et fonctionnelles des matériaux métalliques sont conditionnées par leurs microstructures, qui sont elles-mêmes héritées des traitements thermomécaniques subis. Etre capable de prévoir et simuler la microstructure et ses hétérogénéités lors des procédés de mise en forme complexes est récemment devenu crucial dans l'industrie métallurgique. C'est également un véritable challenge d'un point de vue numérique qui met en évidence l'importance des matériaux numériques dans les nouvelles méthodes de modélisation. Dans ce travail, nous nous intéressons à un modèle en champ complet récent basé sur la méthode level set (LS) dans un cadre éléments finis (EF) pour la modélisation des mécanismes de recristallisation.Les points forts de cette approche par rapport à l'état de l'art ont motivé le développement d'un logiciel appelé DIGIMU® par la société TRANSVALOR avec le soutien de grandes entreprises industrielles. Toutefois, le principal inconvénient de cette approche, commun aux autres méthodes en champ complet utilisant des maillages EF non structurés, reste son coût numérique important.Le principal objectif de ce travail a donc été d'améliorer considérablement le coût numérique de la formulation LS utilisée dans le contexte de maillages EF non structurés. De nouveaux développements génériques ont été réalisés pour améliorer l'efficacité globale du modèle. La formulation 2D LS existante, déjà utilisée pour modéliser la croissance de grains, la recristallisation statique et l'effet d'ancrage de Smith-Zener, a été étendue et améliorée afin de modéliser ces mécanismes en 3D pour des polycristaux à grand nombre de grains en des temps de calcul raisonnables. / Mechanical and functional properties of metallic materials are strongly related to their microstructures, which are themselves inherited from thermal and mechanical processing. Being able to accurately predict and simulate the microstructure and its heterogeneities after complex forming paths recently became crucial for the metallurgy industry. This is also a real challenge from a numerical point of view which highlights the importance of digital materials in new modeling techniques. In this work, we focus on a recent front-capturing full field model based on the level set (LS) method within a finite element (FE) framework to model recrystallization mechanisms.The strengths of this approach comparatively to the state of the art have motivated the development of a software package called DIGIMU® by the company TRANSVALOR with the support of major industrial companies. However, the main drawback of this approach, common with other front-capturing full field approaches working on unstructured FE meshes, is its important computational cost, especially in 3D.Main purpose of this work was finally to drastically improve the numerical cost of the considered LS-FE formulation in context of unstructured FE meshes. New generic numerical developments have been proposed to improve the global efficiency of the model. The existing 2D LS formulation, already used to model grain growth, static recrystallization and the Smith-Zener pinning effect, has been extended and improved in order to model these mechanisms in 3D for large-scale polycrystals with reasonable computational costs.

La transition extra-tropicale est la transformation d'un cyclone tropical en cyclone extra-tropical lors de sa migration vers les latitudes moyennes. Au cours de son interaction avec son nouvel environnement barocline, le cyclone peut se réintensifier par des processus dynamiques et diabatiques complexes. Il peut également avoir un impact en aval par le renforcement d'un train d'ondes de Rossby, qui se propage rapidement et dont le déferlement est souvent à l'origine d'événements extrêmes. La complexité des processus dynamiques et diabatiques de la transition extra-tropicale conduit alors à une réduction de la prévisibilité en aval. Les ouragans Florence et Hélène en Atlantique Nord ont ainsi contribué au déclenchement des événements extrêmes de septembre 2006 en Méditerranée, respectivement un épisode de précipitations intenses et un phénomène plus rare, un méditerragan (ouragan méditerranéen). Hélène s'est distinguée de Florence par des processus diabatiques prépondérants au cours de sa réintensification sur un océan plus chaud, ce qui lui a permis de conserver des caractéristiques tropicales. Ses trois réintensifications en trois jours induites par l'étirement de trois filaments de tourbillon potentiel, ajoutées au développement du méditerragan en aval, font d'Hélène un cas exceptionnel. Les deux événements extrêmes en Méditerranée étaient absents de la prévision déterministe à moyen terme. L'incertitude dans la représentation des processus diabatiques a été examinée car ceux-ci contrôlent l'impact des ouragans sur les ondes de Rossby. Pour la première fois, des simulations ont été réalisées avec le modèle Méso-NH sur un grand domaine avec une résolution explicite de la convection profonde, tirant parti de la parallélisation massive du modèle. Une faible sensibilité à la résolution horizontale du modèle a été trouvée dans les précipitations des ouragans, donc dans leur impact sur les ondes de Rossby et sur les événements extrêmes en Méditerranée. La trajectoire d'Hélène a par contre montré une forte sensibilité à sa synchronisation avec le train d'ondes de Rossby, influencée par la résolution horizontale du modèle. Cette forte sensibilité a été retrouvée dans les prévisions d'ensemble du Centre Européen pour la Prévision Météorologique à Moyen Terme, où le développement du méditerragan a requis la synchronisation d'Hélène avec le train d'ondes de Rossby. La perturbation ciblée des conditions initiales autour d'Hélène et du thalweg en amont a suffi à prévoir le méditerragan à une échéance de 108 h dans une simulation Méso-NH. Ces résultats montrent l'impact possible de transitions extra-tropicales en Atlantique Nord, qui surviennent à la même saison que la plupart des épisodes de précipitations intenses en Méditerranée. La réduction de l'incertitude dans la prévision de la transition extra-tropicale est donc un des enjeux de l'amélioration de la prévision d'événements extrêmes d'automne en Méditerranée.

Les travaux de ce doctorat concernent le développement de méthodes itératives pour la résolution de systèmes linéaires creux de grande taille comportant de nombreux seconds membres. L’application visée est la résolution d’un problème inverse en géophysique visant à reconstruire la vitesse de propagation des ondes dans le sous-sol terrestre. Lorsque de nombreuses sources émettrices sont utilisées, ce problème inverse nécessite la résolution de systèmes linéaires complexes non symétriques non hermitiens comportant des milliers de seconds membres. Dans le cas tridimensionnel ces systèmes linéaires sont reconnus comme difficiles à résoudre plus particulièrement lorsque des fréquences élevées sont considérées. Le principal objectif de cette thèse est donc d’étendre les développements existants concernant les méthodes de Krylov par bloc. Nous étudions plus particulièrement les techniques de déflation dans le cas multiples seconds membres et recyclage de sous-espace dans le cas simple second membre. Des gains substantiels sont obtenus en terme de temps de calcul par rapport aux méthodes existantes sur des applications réalistes dans un environnement parallèle distribué. / This PhD thesis concerns the development of flexible Krylov subspace iterative solvers for the solution of large sparse linear systems of equations with multiple right-hand sides. Our target application is the solution of the acoustic full waveform inversion problem in geophysics associated with the phenomena of wave propagation through an heterogeneous model simulating the subsurface of Earth. When multiple wave sources are being used, this problem gives raise to large sparse complex non-Hermitian and nonsymmetric linear systems with thousands of right-hand sides. Specially in the three-dimensional case and at high frequencies, this problem is known to be difficult. The purpose of this thesis is to develop a flexible block Krylov iterative method which extends and improves techniques already available in the current literature to the multiple right-hand sides scenario. We exploit the relations between each right-hand side to accelerate the convergence of the overall iterative method. We study both block deflation and single right-hand side subspace recycling techniques obtaining substantial gains in terms of computational time when compared to other strategies published in the literature, on realistic applications performed in a parallel environment.

Dans le contexte des Sciences de l’Information et de la Technologie, un des challenges est de créer des systèmes de plus en plus petits embarquant de plus en plus d’intelligence au niveau matériel et logiciel avec des architectures communicantes de plus en plus complexes. Ceci nécessite des méthodologies robustes de conception afin de réduire le cycle de développement et la phase de prototypage. Ainsi, la conception et l’optimisation de la couche physique de communication est primordiale. La complexité de ces systèmes rend difficile leur optimisation notamment à cause de l’explosion du nombre des paramètres inconnus. Les méthodes et outils développés ces dernières années seront à terme inadéquats pour traiter les problèmes qui nous attendent. Par exemple, la propagation des ondes dans une cabine d’avion à partir des capteurs ou même d’une antenne, vers le poste de pilotage est grandement affectée par la présence de la structure métallique des sièges à l’intérieur de la cabine, voir les passagers. Il faut, donc, absolument prendre en compte cette perturbation pour prédire correctement le bilan de puissance entre l’antenne et un possible récepteur. Ces travaux de recherche portent sur les aspects théoriques et de mise en oeuvre pratique afin de proposer des outils informatiques pour le calcul rigoureux de la réflexion des champs électromagnétiques à l’intérieur de très grandes structures . Ce calcul implique la solution numérique de très grands systèmes inaccessibles par des ressources traditionnelles. La solution sera basée sur une grille de calcul et un supercalculateur. La modélisation électromagnétique des structures surdimensionnées par plusieurs méthodes numériques utilisant des nouvelles ressources informatiques, hardware et software, pour dérouler des calculs performants, représente le but de ce travail. La modélisation numérique est basée sur une approche hybride qui combine la méthode Transmission-Line Matrix (TLM) et l’approche modale. La TLM est appliquée aux volumes homogènes, tandis que l’approche modale est utilisée pour décrire les structures planaires complexes. Afin d’accélérer la simulation, une implémentation parallèle de l’algorithme TLM dans le contexte du paradigme de calcul distribué est proposé. Le sous-domaine de la structure qui est discrétisé avec la TLM est divisé en plusieurs parties appelées tâches, chacune étant calculée en parallèle par des processeurs différents. Pour accomplir le travail, les tâches communiquent entre elles au cours de la simulation par une librairie d’échange de messages. Une extension de l’approche modale avec plusieurs modes différents a été développée par l’augmentation de la complexité des structures planaires. Les résultats démontrent les avantages de la grille de calcul combinée avec l’approche hybride pour résoudre des grandes structures électriques, en faisant correspondre la taille du problème avec le nombre de ressources de calcul utilisées. L’étude met en évidence le rôle du schéma de parallélisation, cluster versus grille, par rapport à la taille du problème et à sa répartition. En outre, un modèle de prédiction a été développé pour déterminer les performances du calcul sur la grille, basé sur une approche hybride qui combine une prédiction issue d’un historique d’expériences avec une prédiction dérivée du profil de l’application. Les valeurs prédites sont en bon accord avec les valeurs mesurées. L’analyse des performances de simulation a permis d’extraire des règles pratiques pour l’estimation des ressources nécessaires pour un problème donné. En utilisant tous ces outils, la propagation du champ électromagnétique à l’intérieur d’une structure surdimensionnée complexe, telle qu’une cabine d’avion, a été effectuée sur la grille et également sur le supercalculateur. Les avantages et les inconvénients des deux environnements sont discutés. / In the context of Information Communications Technology (ICT), the major challenge is to create systems increasingly small, boarding more and more intelligence, hardware and software, including complex communicating architectures. This requires robust design methodologies to reduce the development cycle and prototyping phase. Thus, the design and optimization of physical layer communication is paramount. The complexity of these systems makes them difficult to optimize, because of the explosion in the number of unknown parameters. The methods and tools developed in past years will be eventually inadequate to address problems that lie ahead. Communicating objects will be very often integrated into cluttered environments with all kinds of metal structures and dielectric larger or smaller sizes compared to the wavelength. The designer must anticipate the presence of such barriers in the propagation channel to establish properly link budgets and an optimal design of the communicating object. For example, the wave propagation in an airplane cabin from sensors or even an antenna, towards the cockpit is greatly affected by the presence of the metal structure of the seats inside the cabin or even the passengers. So, we must absolutely take into account this perturbation to predict correctly the power balance between the antenna and a possible receiver. More generally, this topic will address the theoretical and computational electromagnetics in order to propose an implementation of informatics tools for the rigorous calculation of electromagnetic scattering inside very large structures or radiation antenna placed near oversized objects. This calculation involves the numerical solution of very large systems inaccessible by traditional resources. The solution will be based on grid computing and supercomputers. Electromagnetic modeling of oversized structures by means of different numerical methods, using new resources (hardware and software) to realize yet more performant calculations, is the aim of this work. The numerical modeling is based on a hybrid approach which combines Transmission-Line Matrix (TLM) and the mode matching methods. The former is applied to homogeneous volumes while the latter is used to describe complex planar structures. In order to accelerate the simulation, a parallel implementation of the TLM algorithm in the context of distributed computing paradigm is proposed. The subdomain of the structure which is discretized upon TLM is divided into several parts called tasks, each one being computed in parallel by different processors. To achieve this, the tasks communicate between them during the simulation by a message passing library. An extension of the modal approach to various modes has been developped by increasing the complexity of the planar structures. The results prove the benefits of the combined grid computing and hybrid approach to solve electrically large structures, by matching the size of the problem with the number of computing resources used. The study highlights the role of parallelization scheme, cluster versus grid, with respect to the size of the problem and its repartition. Moreover, a prediction model for the computing performances on grid, based on a hybrid approach that combines a historic-based prediction and an application profile-based prediction, has been developped. The predicted values are in good agreement with the measured values. The analysis of the simulation performances has allowed to extract practical rules for the estimation of the required resources for a given problem. Using all these tools, the propagation of the electromagnetic field inside a complex oversized structure such an airplane cabin, has been performed on grid and also on a supercomputer. The advantages and disadvantages of the two environments are discussed.