En quelques dizaines d'années, l'informatique a vu naître et se développer des machines fonctionnant avec plusieurs processeurs. Les difficultés techniques rencontrées pour la conception de ces ordinateurs ont été surmontées et l'un des défis majeur d'aujourd'hui est de fournir une plateforme pour la programmation parallèle. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du projet IMAG APACHE qui a pour but la conception d'un tel environnement. Le modèle de graphes que nous manipulons est un graphe de tâches orienté sans cycle. Le processus consistant à paralléliser une application est découpé en trois phases principales, avec l'ordonnancement et le placement des différentes parties de l'application comme étape centrale. Dans ce contexte, nous avons concentrés nos efforts sur la recherche de stratégies d'ordonnancement présentant de réelles qualités de robustesse et d'efficacité pour des graphes de différentes granularités, et pour des ensembles d'hypothèses d'exécution différents. A partir d'un algorithme produisant des ordonnancements optimaux dans le cas de graphes à structure arborescente formés de tàches de durées unitaires et de communications unitaires, nous avons montré qu'il était possible d'obtenir des ordonnancements, dont l'écart par rapport à l'optimal est borné, pour des arbres de granularité différente. Nous avons montré également que ce même algorithme permettait d'obtenir dans certains cas des ordonnancements optimaux pour un modèle d'exécution totalement différent de celui pour lequel il avait été originellement conçu. Cette étude sur deux processeurs a été mené pour un nombre supérieur de processeurs identiques et pour deux processeurs uniformes. Enfin, une partie de ce travail est dédiée à la recherche de stratégies d'ordonnancement pour des graphes générés par l'environnement Athapascan (projet APACHE) qui présentent la particularité de permettre l'adaptation de la granularité en fonction de la machine cible.

Le problème de l'assimilation de données sous sa forme générale peut se formuler : "comment utiliser simultanément un modèle théorique et des observations pour obtenir la meilleure prévision météorologique ou océanographique ?", sa résolution est très coûteuse, pour la prochaine génération de modèles elle nécessitera une puissance de calcul de l'ordre de 10 Tflops. à l'heure actuelle, aucun calculateur n'est capable de fournir de telles performances mais cela devrait être possible dans quelques années, en particulier grâce aux ordinateurs parallèles à mémoire distribuée. Mais, la programmation de ces machines reste un processus compliqué et on ne connaît pas de méthode générale pour paralléliser de manière optimale un algorithme donné. Nous tenterons, de répondre au problème de la parallélisation de l'assimilation de données variationnelle, ce qui nous conduira à étudier la parallélisation d'algorithmes numériques d'optimisation assez généraux. Pour cela, nous étendrons la méthodologie de l'écriture des modèles adjoints au cas où le modèle direct est parallèle avec échanges de messages explicites. Nous étudierons les différentes approches possibles pour paralléliser la résolution du problème de l'assimilation de données : au niveau des modèles météorologiques direct et adjoints, au niveau de l'algorithme d'optimisation ou enfin au niveau du problème lui-même. Cela nous conduira à transformer un problème séquentiel d'optimisation sans contraintes en un ensemble de problèmes d'optimisation relativement indépendants qui pourront être résolus en parallèle. Nous étudierons plusieurs variantes de ces trois approches très générales et leur utilité dans le cadre du problème de l'assimilation de données. Nous terminerons par l'application des méthodes de parallélisation précédentes au modèle de Shallow Water et comparerons leurs performances. Nous présenterons également une parallélisation du modèle météorologique ARPS (Advanced Regional Prediction System).

Le but principal de cette thèse est d'étudier et de réaliser un émulateur performant de machines parallèles dotées d'une mémoire virtuelle partagée distribuée. Cet émulateur doit permettre d'évaluer la charge induite par des machines de ce type sur le réseau d'interconnexion, afin d'en choisir la meilleure topologie. Pour cela, ce travail est divisé en deux parties. La première est constituée d'une étude de l'éventail des techniques pouvant être utilisées lors de la construction d'une hiérarchie de mémoires ou lors du maintien de la cohérence des données contenues dans cette hiérarchie. La seconde partie décrit le fonctionnement de l'émulateur. Pour que celui-ci soit performant, il faut qu'il puisse faire varier un nombre important de paramètres de la machine émulée et qu'il puisse utiliser un grand nombre d'applications de taille significative. Pour cela, nous utilisons une technique qui permet de réellement exécuter les instructions et de ne simuler que les envois de pages sur le réseau. Les paramètres de l'émulateur sont le nombre de processeurs, les caractéristiques du réseau (débit, latence), et le type de maintien de la cohérence utilisé (5 possibles). En ce qui concerne les applications, il est possible de faire varier la taille et pour certaines la répartition des données. L'émulateur construit s'exécute au-dessus d'un micro-noyau MACH et d'un serveur UNIX. Il exploite certaines fonctionnalités du micro-noyau MACH, en particulier les paginateurs externes.

Cette thèse définit un modèle d'exécution de programmes parallèles basés sur l'appel de procédures exécutées à distance par des processus légers. L'équivalence de deux exécutions dans le modèle procédural parallèle sert de guide pour la construction d'un mécanisme de réexécution déterministe pour le noyau exécutif Athapascan-0a. Le modèle étudié n'est pas spécifique à Athapascan et peut s'appliquer à d'autres environnements de programmation. Les modèles concernés utilisent des ressources partagées actives. Dans cette famille de modèles se trouvent, entre autres, les modèles d'appels de procédures à distance, les modèles Clients-Serveurs et les modèles à objets actifs. Le modèle exploite des événements abstraits composés d'événements de plus bas niveau. Le nombre d'événements enregistrés est ainsi réduit sans surcoût de calcul lié à cette réduction. Le mécanisme de réexécution déterministe réalisé pour Athapascan-0a est validé expérimentalement. Une méthodologie de mesures systématiques est appliquée pour mesurer le surcoût en temps dû à l'enregistrement des traces nécessaires à la réexécution. Les mesures des temps d'exécution s'effectuent pour des programmes parallèles synthétiques générés à partir de modèles d'algorithmes. Les surcoûts mesurés montrent une faible intrusion du mécanisme d'enregistrement des traces.

Cette thèse se concentre sur l'évaluation des performances des mécanismes d'équilibrage de charge. Pour l'utilisation efficace d'une architecture parallèle, il est nécessaire de développer des techniques de régulation de charge appropriées. Nous étudions en détail le problème de l'ordonnancement dynamique d'une application parallèle. Les fonctionnalités d'un ordonnanceur générique sont analysées et son implémentation dans le système Athapascan est décrit. Athapascan est un environnement de programmation pour les applications parallèles irrégulières. La structure de l'ordonnanceur permet l'implémentation de différents algorithmes d'équilibrage de charge. Pour étudier les différentes stratégies d'équilibrage et comparer leurs performances nous proposons une méthodologie. Nous avons construit des modèles de programmes synthétiques avec un caractère dynamique et aléatoire, à partir desquels nous avons établi un jeu d'essai. Nous avons choisi d'étudier les effets simultanés des différents paramètres des ordonnanceurs et de la charge synthétique. Une planification factorielle a été choisie parce qu'elle permet une vision globale de l'influence des différents paramètres. Les tests sont effectués sur une machine SP1-IBM. Deux méthodes d'analyse de données multivariée sont utilisées, l'analyse en composantes principales et la régression multiple. L'interprétation des modèles linéaires obtenus permet de comprendre le comportement de chaque ordonnanceur et l'influence de ses paramètres par rapport à la charge applicative.

Dans les environnements d'exécution parallèle, la régulation de charge (ou l'ordonnancement applicatif) est le module responsable du contrôle de l'exécution d'un programme sur les ressources de l'architecture distribuée (processeurs et modules mémoire). En pratique, le choix de la stratégie de régulation la plus performante dépend non seulement de l'application mais doit aussi être adapté en fonction de l'architecture cible. Dès lors, la portabilité d'un code ne peut être assurée que si l'on peut modifier cette stratégie. Dans cette thèse, nous proposons l'utilisation de la description dynamique du flot de données comme l'élément central permettant de séparer le code applicatif de la régulation de charge. Sur cette proposition est basée la construction d'un environnement logiciel, modulaire et générique, qui rend possible la modification ou l'ajustement de la stratégie de régulation de charge. La spécification de cet environnement repose sur l'identification des interfaces de la régulation avec d'une part l'application et d'autre part l'architecture. Cette identification, centrée sur l'exploration macroscopique du flot de données, est originale: nous montrons qu'elle étend d'autres systèmes classiques de régulation de charge. Enfin, la validation expérimentale de cet environnement est réalisée grâce à son intégration dans l'interface de programmation Athapascan-1 de l'environnement Athapascan, du projet APACHE. Différentes stratégies d'ordonnancement, statiques, dynamiques et hybrides, ont ainsi été implantés. Nous présentons les performances de quelques unes de ces stratégies appliquées à des programmes Athapascan-1 sur différentes architectures.

Ce travail présente l'apport de l'ordonnancement pour la programmation parallèle performante d'applications numériques en mécanique et chimie quantique. Nous prenons deux exemples types de résolution de l'équation de Schrödinger --- Boîte Quantique (BQ) et Méthode des Perturbations d'ordre 2 (MP2) --- qui nécessitent de grosses ressources en calcul et mémoire. La programmation traditionnelle (échange de messages et/ou multithreading) des machines parallèles (distribuées ou SMP) est illustrée par les performances obtenues avec le benchmark Linpack sur la grappe I-cluster (INRIA). Le manque de portabilité du code hautement performant obtenu montre l'importance d'un environnement de programmation parallèle permettant de découpler le codage de l'algorithme de son ordonnancement sur la machine cible. Nous introduisons alors Athapascan, qui repose sur l'analyse du flot de données, pour calculer dynamiquement des ordonnancements prouvés efficaces. Un premier critère d'efficacité est le temps de calcul. Sur certains modèles de machines, la théorie et l'expérience montrent que Athapascan permet des ordonnancements qui garantissent des exécutions efficaces pour certains algorithmes adaptés à BQ, de type itératif (méthode de Lanczos). Un deuxième critère fondamental est l'espace mémoire requis pour les exécutions parallèles en calcul numérique ; c'est particulièrement critique pour MP2. Nous proposons d'annoter le Graphe de Flot de Données (GFD) manipulé par Athapascan pour prendre en compte la mémoire et permettre des ordonnancements dynamiques efficaces en mémoire. Pour MP2, dont le GFD est connu statiquement, un ordonnancement efficace en temps et en mémoire est donné.

De nombreuses applications scientifiques utilisent et génèrent d'énormes quantités de données. Ces applications qui exploitent des modèles d'accès parallèles spécifiques (principalement des accès disjoints) sont souvent pénalisées par des systèmes de stockage inadaptés. Pour éviter les dégradations de performances, les bibliothèques d'Entrées/Sorties parallèles telles que ROMIO sont généralement utilisées pour agréger les petites requêtes séparées en de plus grosses contiguës habituellement plus performantes. Toutefois, les optimisations apportées pour un programme ne tiennent pas compte de l'ensemble des interactions avec d'autres applications s'exécutant en concurrence sur la grappe. La conséquence est que ces routines spécifiques visant à optimiser les accès d'une application vont s'avérer inutiles, car leur effet va être perturbé par les autres applications !<br /><br />Ce document décrit une nouvelle approche, appelée aIOLi, permettant le<br />contrôle, le réordonnancement et la régulation de l'ensemble des interactions générées par les différentes applications s'exécutant simultanément sur une grappe et ce, en s'appuyant uniquement sur l'interface POSIX.<br /><br />Dans un tel contexte, la performance, l'interactivité et l'équité sont des critères pour lesquels il est important de trouver un bon compromis. Pour y parvenir, une stratégie d'ordonnancement globale prenant en compte également les problématiques d'Entrées/Sorties parallèles locales aux applications a été définie. Le service aIOLi consiste en un support d'ordonnancement générique pouvant être rattaché à différentes parties d'un système de fichiers. L'exécution concurrente de jeux de tests IOR sur un serveur NFS traditionnel ont montré des améliorations particulièrement significatives pour les accès en lecture en comparaison aux performances pouvant être atteintes avec les routines POSIX ou MPI I/O.

L'analyse d'images est devenue ces dernières années une discipline de plus en plus riche de l'informatique. La topologie discrète propose un panel d'outils incontournables dans le traitement d'images, notamment grâce à l'outil du squelette, qui permet de simplifier des objets tout en conservant certaines informations intactes. Cette thèse étudie comment certains outils de la topologie discrète, notamment les squelettes, peuvent être utilisés pour le traitement d'images de matériaux.Le squelette d'un objet peut être vu comme une simplification d'un objet, possédant certaines caractéristiques identiques à celles de l'objet original. Il est alors possible d'étudier un squelette et de généraliser certains résultats à l'objet entier. Dans une première partie, nous proposons une nouvelle méthode pour conserver, dans un squelette, certaines caractéristiques géométriques de l'objet original (méthode nécessitant un paramètre de filtrage de la part de l'utilisateur) et obtenir ainsi un squelette possédant la même apparence que l'objet original. La seconde partie propose de ne plus travailler avec des objets constitués de voxels, mais avec des objets constitués de complexes cubiques. Dans ce nouveau cadre, nous proposons de nouveaux algorithmes de squelettisation, dont certains permettent de conserver certaines caractéristiques géométriques de l'objet de départ dans le squelette, de façon automatique (aucun paramètre de filtrage ne doit être donné par l'utilisateur). Nous montrerons ensuite comment un squelette, dans le cadre des complexes cubiques, peut être décomposé en différentes parties. Enfin, nous montrerons nos résultats sur différentes applications, allant de l'étude des matériaux à l'imagerie médicale

L'augmentation des puissances commutées en électronique de puissance passe par l'association de composants élémentaires en série et en parallèle. Cette association se retrouve à différentes échelles: au sein des modules du commerce ou au niveau de l'association de modules dans un convertisseur statique. Les travaux dans ce domaine ne sont pas nouveaux, puisque de nombreux problèmes nuisant à l'association série ou parallèle ont été rencontrés dans le passé. Le but de cette thèse n'est pas de redécouvrir ces problèmes, ni leurs solutions, mais plutôt, par une étude systématique de la' commutation, de mieux comprendre les phénomènes intervenant dans une association de composants à grille isolée. L'originalité de cette étude est qu'elle s'intéresse aux semiconducteurs dans leur environnement. Des règles ont ainsi pu être dégagées permettant une meilleure répartition des contraintes électriques entre les composants. Pour la mise en parallèle, le rôle du câblage a été mis en évidence, et pour la mise en série, un circuit d'équilibrage actif a été proposé, se basant sur les acteurs principaux de la commutation