L'omniprésence des ordinateurs et la demande de toujours plus de puissance poussent les architectes processeur à chercher des moyens d'augmenter les performances de ces processeurs. La tendance actuelle est de répliquer sur une même puce plusieurs cœurs d'exécution pour paralléliser l'exécution. Si elle se poursuit, les processeurs deviendront massivement multicoeurs avec plusieurs centaines voire un millier de cœurs disponibles. Cependant, la loi d'Amdahl nous rappelle que l'augmentation de la performance séquentielle sera toujours nécessaire pour améliorer les performances globales. Une voie essentielle pour accroître la performance séquentielle est de perfectionner le traitement des branchements, ceux-ci limitant le parallélisme d'instructions. La prédiction de branchements est la solution la plus étudiée, dont l'intérêt dépend essentiellement de la précision du prédicteur. Au cours des dernières années, cette précision a été continuellement améliorée et a atteint un seuil qu'il semble difficile de dépasser. Une autre solution est d'éliminer les branchements et de les remplacer par une construction reposant sur des instructions prédiquées. L'exécution des instructions prédiquées pose cependant plusieurs problèmes dans les processeurs à exécution dans le désordre, en particulier celui des définitions multiples. Les travaux présentés dans cette thèse explorent ces deux aspects du traitement des branchements. La première partie s'intéresse à la prédiction de branchements. Une solution pour améliorer celle-ci sans augmenter la précision est de réduire le coût d'une mauvaise prédiction. Cela est possible en exploitant la reconvergence de flot de contrôle et l'indépendance de contrôle pour récupérer une partie du travail fait par le processeur sur le mauvais chemin sur les instructions communes aux deux chemins pour éviter de le refaire sur le bon chemin. La deuxième partie s'intéresse aux instructions prédiquées. Nous proposons une solution au problème des définitions multiples qui passe par la prédiction sélective de la valeur des prédicats. Un mécanisme de rejeu sélectif est utilisé pour réduire le coût d'une mauvaise prédiction de prédicat.

L'omniprésence des ordinateurs et la demande de toujours plus de puissance poussent les architectes processeur à chercher des moyens d'augmenter les performances de ces processeurs. La tendance actuelle est de répliquer sur une même puce plusieurs c\oe urs d'exécution pour paralléliser l'exécution. Si elle se poursuit, les processeurs deviendront massivement multic\oe urs avec plusieurs centaines voire un millier de c\oe urs disponibles. Cependant, la loi d'Amdahl nous rappelle que l'augmentation de la performance séquentielle sera toujours nécessaire pour améliorer les performances globales. Une voie essentielle pour accroître la performance séquentielle est de perfectionner le traitement des branchements, ceux-ci limitant le parallélisme d'instructions. La prédiction de branchements est la solution la plus étudiée, dont l'intérêt dépend essentiellement de la précision du prédicteur. Au cours des dernières années, cette précision a été continuellement améliorée et a atteint un seuil qu'il semble difficile de dépasser. Une autre solution est d'éliminer les branchements et de les remplacer par une construction reposant sur des instructions prédiquées. L'exécution des instructions prédiquées pose cependant plusieurs problèmes dans les processeurs à exécution dans le désordre, en particulier celui des définitions multiples. Les travaux présentés dans cette thèse explorent ces deux aspects du traitement des branchements. La première partie s'intéresse à la prédiction de branchements. Une solution pour améliorer celle-ci sans augmenter la précision est de réduire le coût d'une mauvaise prédiction. Cela est possible en exploitant la reconvergence de flot de contrôle et l'indépendance de contrôle pour récupérer une partie du travail fait par le processeur sur le mauvais chemin sur les instructions communes aux deux chemins pour éviter de le refaire sur le bon chemin. La deuxième partie s'intéresse aux instructions prédiquées. Nous proposons une solution au problème des définitions multiples qui passe par la prédiction sélective de la valeur des prédicats. Un mécanisme de rejeu sélectif est utilisé pour réduire le coût d'une mauvaise prédiction de prédicat.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / High Performance Computing is preparing the era of the transition from Petascale to Exascale. Distributed computing systems are already facing new scalability problems due to the increasing number of computing resources to manage. It is now necessary to study in depth these systems and comprehend their behaviors, strengths and weaknesses to better build the next generation.The complexity of managing users applications on the resources conducted to the analysis of the workload the platform has to support, this to provide them an efficient service.The need for workload comprehension has lead to the collection of traces from production systems and to the proposal of a standard workload format. These contributions enabled the study of numerous of these traces. This also lead to the construction of several models, based on the statistical analysis of the different workloads from the collection.Until recently, existing workload traces did not enabled researchers to study the consumption of resources by the jobs in a temporal way. This is now changing with the need for characterization of jobs consumption patterns.In the first part of this thesis we propose a study of existing workload traces. Then we contribute with an observation of cluster workloads with the consideration of the jobs resource consumptions over time. This highlights specific and unattended patterns in the usage of resources from users.Finally, we propose an extension of the former standard workload format that enables to add such temporal consumptions without loosing the benefit of the existing works.Experimental approaches based on workload models have also served the goal of distributed systems evaluation. Existing models describe the average behavior of observed systems.However, although the study of average behaviors is essential for the understanding of distributed systems, the study of critical cases and particular scenarios is also necessary. This study would give a more complete view and understanding of the performance of the resources and jobs management. In the second part of this thesis we propose an experimental method for performance evaluation of distributed systems based on the replay of production workload trace extracts. These extracts, replaced in their original context, enable to experiment the change of configuration of the system in an online workload and observe the different configurations results. Our technical contribution in this experimental approach is twofold. We propose a first tool to construct the environment in which the experimentation will take place, then we propose a second set of tools that automatize the experiment setup and that replay the trace extract within its original context.Finally, these contributions conducted together, enable to gain a better knowledge of HPC platforms. As future works, the approach proposed in this thesis will serve as a basis to further study larger infrastructures.

L'omniprésence des ordinateurs et la demande de toujours plus de puissance poussent les architectes processeur à chercher des moyens d'augmenter les performances de ces processeurs. La tendance actuelle est de répliquer sur une même puce plusieurs cœurs d'exécution pour paralléliser l'exécution. Si elle se poursuit, les processeurs deviendront massivement multicoeurs avec plusieurs centaines voire un millier de cœurs disponibles. Cependant, la loi d'Amdahl nous rappelle que l'augmentation de la performance séquentielle sera toujours nécessaire pour améliorer les performances globales. Une voie essentielle pour accroître la performance séquentielle est de perfectionner le traitement des branchements, ceux-ci limitant le parallélisme d'instructions. La prédiction de branchements est la solution la plus étudiée, dont l'intérêt dépend essentiellement de la précision du prédicteur. Au cours des dernières années, cette précision a été continuellement améliorée et a atteint un seuil qu'il semble difficile de dépasser. Une autre solution est d'éliminer les branchements et de les remplacer par une construction reposant sur des instructions prédiquées. L'exécution des instructions prédiquées pose cependant plusieurs problèmes dans les processeurs à exécution dans le désordre, en particulier celui des définitions multiples. Les travaux présentés dans cette thèse explorent ces deux aspects du traitement des branchements. La première partie s'intéresse à la prédiction de branchements. Une solution pour améliorer celle-ci sans augmenter la précision est de réduire le coût d'une mauvaise prédiction. Cela est possible en exploitant la reconvergence de flot de contrôle et l'indépendance de contrôle pour récupérer une partie du travail fait par le processeur sur le mauvais chemin sur les instructions communes aux deux chemins pour éviter de le refaire sur le bon chemin. La deuxième partie s'intéresse aux instructions prédiquées. Nous proposons une solution au problème des définitions multiples qui passe par la prédiction sélective de la valeur des prédicats. Un mécanisme de rejeu sélectif est utilisé pour réduire le coût d'une mauvaise prédiction de prédicat. / Computers are everywhere and the need for always more computation power has pushed the processor architects to find new ways to increase performance. The today's tendency is to replicate execution core on the same die to parallelize the execution. If it goes on, processors will become manycores featuring hundred to a thousand cores. However, Amdahl's law reminds us that increasing the sequential performance will always be vital to increase global performance. A perfect way to increase sequential performance is to improve how branches are executed because they limit instruction level parallelism. The branch prediction is the most studied solution, its interest greatly depending on its accuracy. In the last years, this accuracy has been continuously improved up to reach a hardly exceeding limit. An other solution is to suppress the branches by replacing them with a construct based on predicated instructions. However, the execution of predicated instructions on out-of-order processors comes up with several problems like the multiple definition problem. This study investigates these two aspects of the branch treatment. The first part is about branch prediction. A way to improve it without increasing the accuracy is to reduce the coast of a branch misprediction. This is possible by exploiting control flow reconvergence and control independence. The work done on the wrong path on instructions common to the two paths is saved to be reused on the correct path. The second part is about predicated instructions. We propose a solution to the multiple definition problem by selectively predicting the predicate values. A selective replay mechanism is used to reduce the cost of a predicate misprediction.

Réaliser des variations d'un même modèle est un besoin en expansion dans de nombreux domaines de modélisation (architecture, archéologie, CAO, etc.). Mais la production manuelle de ces variations est fastidieuse, il faut donc faire appel à des techniques permettant de rejouer automatiquement tout ou partie du processus de construction du modèle, après spécification des modifications. La majorité des approches dédiées à la réalisation du rejeu sont basées sur un système de modélisation paramétrique, composée d’un modèle géométrique et d’une spécification paramétrique permettant d’enregistrer la succession d’opérations l’ayant créé ainsi que leurs paramètres. On peut ensuite faire varier ces paramètres ou éditer cette liste d’opérations afin de modifier le modèle. On utilise pour cela un système de nommage persistant, introduit dans les années 90, et permettant d’identifier et d’apparier les entités d’une spécification initiale et celles d'une spécification rejouée. L’objectif de cette thèse est de proposer un système de nommage persistant général, homogène et permettant de gérer l’édition de spécification paramétriques (déplacer, ajouter et supprimer des opérations). Nous nous basons sur la bibliothèque Jerboa, qui repose sur des règles de transformation de graphes, tant pour utiliser ces règles dans la réalisation de la méthode de nommage que pour lier les notions de spécification paramétrique à ces règles de transformations de graphes. Nous décrivons ensuite comment exploiter notre méthode de nommage pour rejouer et éditer des spécifications paramétriques d’opérations, puis nous la comparons avec les approches de la littérature. / In many modelling fields, such as architecture, archaeology or CAD, performing many variations of the same model is an expanding need. But building all those variations manually takes time. It is therefore needed to use automatic technics to revaluate some parts of a model, or even an entire model, after the user specifies the modifications. Most of the existing approaches dedicated to revaluating models are based on a system called parametric modelling. It is made of two parts, a geometric model and a parametric specification, which allows to record the series of operation that created the model, and the different parameters of those operations. This way, the user can change some parameters, or edit the list of operations to modify the model. To do so, we use a system called persistent naming, introduced during the 90ies, that allows us to identify and match the entities of an initial specification and the ones of a revaluated specification. In this thesis, our goal is to propose a persistent naming system that would be general, homogeneous and that would allow the user to edit a parametric specification (which means move, add, or delete some operations). We base our system on the Jerboa library, which uses graph transformation rules. This way, we will be able to use those rules to create our naming system, while also linking the notions of graph transformation rules and parametric specification. We will then describe how to use our naming method to revaluate or edit parametric specifications. Finally, we will compare our method with the other ones from the literature.

Les systèmes embarqués peuvent contenir des données sensibles. Elles sont généralement échangées en clair entre le système sur puces et la mémoire, mais aussi en interne. Cela constitue un point faible: un attaquant peut observer cet échange et récupérer des informations ou insérer du code malveillant. L'objectif de la thèse est de fournir une solution dédiée et adaptée à ces problèmes en considérant l'intégralité de la durée de vie du système embarqué (démarrage, mises à jour et exécution) et l'intégralité des données (bitstream du FPGA, noyau du système d'exploitation, code et données critiques). En outre, il est nécessaire d'optimiser les performances des mécanismes matériels de sécurité introduits afin de correspondre aux attentes des systèmes embarqués. Cette thèse se distingue en proposant des solutions innovantes et adaptées au monde des FPGAs. / Embedded systems may contain sensitive data. They are usually exchanged in plaintext between the system on chips and the memory, but also internally. This is a weakness: an attacker can spy this exchange and retrieve information or insert malicious code. The aim of the thesis is to provide a dedicated and suitable solution for these problems by considering the entire lifecycle of the embedded system (boot, updates and execution) and all the data (FPGA bitstream, operating system kernel, critical data and code). Furthermore, it is necessary to optimize the performance of hardware security mechanisms introduced to match the expectations of embedded systems. This thesis is distinguished by offering innovative and suitable solutions for the world of FPGAs.

Dans la partie superIeure de la croûte continentale; la tectonique en distension s'exprime essentiellement par le développement de champs de failles plus ou moins complexes. L'extension lithosphérique s'accompagne d'une subsidence importante et d'une sédimentation localisée aux régions amincies. Par conséquent, les structures et les mécanismes profonds sont rarement observables et sont le plus souvent déduits de l'observation de l'orientation, la géométrie et la répartition des failles en surface. Dans ce mémoire, nous présentons les résultats et les implications tectoniques de plusieurs séries de modèles expérimentaux dimensionnés. L'étude de ces modèles permet d'établir des relations de cause à effet entre des conditions cinématiques et mécaniques données et la géométrie du champ de failles observé. Inversement, ces relations champ de faille - conditions de déformation peuvent être appliquées aux données naturelles et contribuent à une meilleure interprétation des structures et des mécanismes qui, gouvernent l'extension en profondeur. En première partie, ce travail présente une série de modèles analogiques à grande échelle (lithosphère, croûte, croûte supérieure). Les résultats expérimentaux mettent en évidence le contrôle de la symétrie ou de l'asymétrie du champ de faille par (i) les conditions aux limites imposées à la base et sur les bordures dû système faillé et (ii) les paramètres mécaniques appliqués (orientation des contraintes principales, cisaillement ' basal, cisaillements latéraux). Dans la seconde partie, nous effectuons une revue des caractéristiques structurales, mécaniques et cinématiques des failles normales listriques. Un nouveau mécanisme de formation des failles listriques est proposé et est appliqué au cas des failles de croissance. Enfin, nous présentons les résultats d'une approche expérimentale des deux contextes structuraux particuliers: - fracturation d'une couverture sédimentaire induite par le rejeu d'anciennes failles de socle. Le champ de faille résultant de ces conditions aux limites montre le développement simultané de failles normales et des failles inverses à forte courbure. La géométrie des structures dépend (i) de la rigidité du socle, (ii) de la rhéologie des séries de couverture, et (iii) de l'orientation de la faille de socle. - failles obliques liées à un décrochement : les modèles illustrant les différentes variations structurales liées le long d'un linéament globalement décrochant. Les implications de ces modèles en terme de divergence ou convergence des plaques sont discutés.

High Performance Computing is preparing the era of the transition from Petascale to Exascale. Distributed computing systems are already facing new scalability problems due to the increasing number of computing resources to manage. It is now necessary to study in depth these systems and comprehend their behaviors, strengths and weaknesses to better build the next generation. The complexity of managing users applications on the resources conducted to the analysis of the workload the platform has to support, this to provide them an efficient service. The need for workload comprehension has led to the collection of traces from production systems and to the proposal of a standard workload format. These contributions enabled the study of numerous of these traces. This also led to the construction of several models, based on the statistical analysis of the different workloads from the collection. Until recently, existing workload traces did not enabled researchers to study the consumption of resources by the jobs in a temporal way. This is now changing with the need for characterization of jobs consumption patterns. In the first part of this thesis we propose a study of existing workload traces. Then we contribute with an observation of cluster workloads with the consideration of the jobs resource consumptions over time. This highlights specific and unattended patterns in the usage of resources from users. Finally, we propose an extension of the former standard workload format that enables to add such temporal consumptions without loosing the benefit of the existing works. Experimental approaches based on workload models have also served the goal of distributed systems evaluation. Existing models describe the average behavior of observed systems. However, although the study of average behaviors is essential for the understanding of distributed systems, the study of critical cases and particular scenarios is also necessary. This study would give a more complete view and under- standing of the performance of resource and job management. In the second part of this thesis we propose an experimental method for performance evaluation of distributed systems based on the replay of production workload trace extracts. These extracts, replaced in their original context, enable to experiment the change of configuration of the system in an online workload and observe the different configurations results. Our technical contribution in this experimental approach is twofold. We propose a first tool to construct the environment in which the experi- mentation will take place, then we propose a second set of tools that automatize the experiment setup and that replay the trace extract within its original context. Finally, these contributions conducted together, enable to gain a better knowledge of HPC platforms. As future works, the approach proposed in this thesis will serve as a basis to further study larger infrastructures.

La supervision des réseaux de communication et plus particulièrement la détection d'anomalies représente un aspect important de la Qualité de Service. Les anomalies sont des circonstances où certaines opérations dévient de leur comportement normal. Certaines sont causées par des problèmes physiques ou techniques comme la panne d'électricité ou les échecs de serveur de fichier, des changements brusques causés par le trafic légitime comme la surcharge du réseau, les foules subites, ainsi que des comportements risqués illégitimes comme des attaques de Déni de Service (DdS) et Déni de Service Distribué (DddS). Nous confrontons la problématique de détection et reconstruction des anomalies parvenant au modèle TCP/IP par la théorie de commande. Ces anomalies sont considérées comme des défauts dans un modèle mathématique représentant la dynamique du modèle TCP/IP. Dans le domaine de détection des défauts, les observateurs peuvent être classés, selon la connaissance du profil des défauts, en observateurs à entrée connue ou à entrée inconnue. Notre première contribution en termes de synthèse d'observateurs à entrées connues se limite à des formes polynômiales pouvant recouvrir une large gamme d'anomalies. L'anomalie et ses dérivées successives introduites dans l'espace d'état du système sont reconstruites par des observateurs de Luenberger. La construction des observateurs étant contraignante en termes de formes spécifiques de l'anomalie et le degré du polynôme associé, une autre approche traitant la détection des anomalies complètement inconnues est proposée. Les modes glissants d'ordre un et d'ordre supérieur sont conçus pour le modèle TCP pour garantir une convergence en temps fini et la robustesse vis-à-vis des incertitudes paramétriques et des défauts. Nos propositions sont étudiées de manière analytique par des validations sous Matlab/Simulink et le Simulateur de Réseaux NS-2. De plus, dans le contexte de NS-2, ces dernières approches sont intégrées dans un module de rejeu des traces de trafic afin de les tester sur un trafic TCP capturé en environnement réel.

Ces dernières années, les systèmes informatiques (Cloud Computing, systèmes embarqués, etc.) sont devenus omniprésents. La plupart de ces systèmes utilisent des espaces de stockage (flash,RAM, etc.) non fiables ou non dignes de confiance pour stocker du code ou des données. La confidentialité et l’intégrité de ces données peuvent être menacées par des attaques matérielles (espionnage de bus de communication entre le composant de calcul et le composant de stockage) ou logicielles. Ces attaques peuvent ainsi révéler des informations sensibles à l’adversaire ou perturber le bon fonctionnement du système. Dans cette thèse, nous nous sommes focalisés, dans le contexte des systèmes embarqués, sur les attaques menaçant la confidentialité et l’intégrité des données qui transitent sur le bus de communication avec la mémoire ou qui sont stockées dans celle-ci.Plusieurs primitives de protection de confidentialité et d’intégrité ont déjà été proposées dans la littérature, et notamment les arbres de Merkle, une structure de données protégeant efficacement l’intégrité des données notamment contre les attaques par rejeu. Malheureusement,ces arbres ont un impact important sur les performances et sur l’empreinte mémoire du système.Dans cette thèse, nous proposons une solution basée sur des variantes d’arbres de Merkle (arbres creux) et un mécanisme de gestion adapté du cache afin de réduire grandement l’impact de la vérification d’intégrité d’un espace de stockage non fiable. Les performances de cette solution ont été évaluées théoriquement et à l’aide de simulations. De plus, une preuve est donnée de l’équivalence, du point de vue de la sécurité, avec les arbres de Merkle classiques.Enfin, cette solution a été implémentée dans le projet SecBus, une architecture matérielle et logicielle ayant pour objectif de garantir la confidentialité et l’intégrité du contenu des mémoires externes d’un système à base de microprocesseurs. Un prototype de cette architecture a été réalisé et les résultats de l’évaluation de ce dernier sont donnés. / During the past few years, computer systems (Cloud Computing, embedded systems...) have become ubiquitous. Most of these systems use unreliable or untrusted storage (flash, RAM...)to store code or data. The confidentiality and integrity of these data can be threaten by hardware (spying on the communication bus between the processing component and the storage component) or software attacks. These attacks can disclose sensitive information to the adversary or disturb the behavior of the system. In this thesis, in the context of embedded systems, we focused on the attacks that threaten the confidentiality and integrity of data that are transmittedover the memory bus or that are stored inside the memory. Several primitives used to protect the confidentiality and integrity of data have been proposed in the literature, including Merkle trees, a data structure that can protect the integrity of data including against replay attacks. However, these trees have a large impact on the performances and the memory footprint of the system. In this thesis, we propose a solution based on variants of Merkle trees (hollow trees) and a modified cache management mechanism to greatly reduce the impact of the verification of the integrity. The performances of this solution have been evaluated both theoretically and in practice using simulations. In addition, a proof a security equivalence with regular Merkle treesis given. Finally, this solution has been implemented in the SecBus architecture which aims at protecting the integrity and confidentiality of the content of external memories in an embedded system. A prototype of this architecture has been developed and the results of its evaluation are given.