Dans cette thèse, nous proposons de construire de meilleurs modèles Processus Gaussiens (GPs) en intégrant les connaissances antérieures avec des données expérimentales. En raison du coût élevé de l’exécution d’expériences sur les systèmes physiques, les modèles numériques deviennent un moyen évident de concevoir des systèmes physiques. Traditionnellement, ces modèles ont été construits expérimentalement et itérativement; une méthode plus rentable de construction de modèles consiste à utiliser des algorithmes d’apprentissage automatique. Nous démontrons comment créer des modèles en intégrant une connaissance antérieure en modifiant les fonctions de covariance. Nous proposons des modèles GP pour différents phénomènes physiques en mécanique des fluides.De même, les lois physiques entre plusieurs sorties peuvent être appliquées en manipulant les fonctions de covariance. Pour chaque application, nous comparons le modèle proposé avec le modèle de l’état de l’art et démontrons les gains de coût ou de performance obtenus. / In this thesis, we propose to build better Gaussian Process (GP) modelsby integrating the prior knowledge of Aircraft design with experimental data. Due tothe high cost of performing experiments on physical systems, models become an efficientmeans to designing physical systems. We demonstrate how to create efficient models byincorporating the prior information from engineering design, mainly by changing the covariancefunctions of the GP.We propose GP models to detect onset of non-linearity, detectmodal parameters and interpolate position of shock in aerodynamic experiments. Similarly,physical laws between multiple outputs can be enforced by manipulating the covariancefunctions, we propose to integrate flight-mechanics to better identify loads using thesemodels. For each application we compare the proposed model with the state-of-the-artmodel and demonstrate the cost or performance gains achieved.

Le trafic aérien en Europe représente environ 30 000 vols quotidiens actuellement. Selon les prévisions de l’organisme Eurocontrol, ce trafic devrait croître de 70% d’ici l’année 2020 pour atteindre 50 000 vols quotidiens. L’espace aérien, découpé en zones géographiques appelées secteurs de contrôle, atteindra bientôt son niveau de saturation vis-à-vis des méthodes actuelles de planification et de contrôle. Afin d’augmenter la quantité de trafic que peut absorber le système, il est nécessaire de diminuer la charge de travail des contrôleurs aériens en les aidant dans leur tâche de séparation des avions. En se fondant sur les demandes de plans de vol des compagnies aériennes, nous proposons une méthode de planification des trajectoires en 4D permettant de présenter au contrôleur un trafic dont la plupart des conflits auront été évités en avance. Cette planification s’établit en deux étapes successives, ayant chacune un unique degré de liberté : une allocation de niveaux de vol permettant la résolution des conflits en croisière puis une allocation d’heures de décollage permettant de résoudre les conflits restants. Nous présentons des modèles pour ces deux problèmes d’optimisation fortement combinatoires, que nous résolvons en utilisant la programmation par contraintes ou les algorithmes évolutionnaires, ainsi que des techniques permettant de prendre en compte des incertitudes sur les heures de décollage ou le suivi de trajectoire. Les simulations conduites sur l’espace aérien français mènent à des situations où tous les conflits sont évités, avec des retards alloués de l’ordre d’une minute en moyenne (80 à 90 minutes pour le vol le plus retardé) et un écart par rapport à l’altitude optimale limité à un niveau de vol pour la quasi totalité des vols. La prise en compte d’incertitudes de manière statique dégrade fortement ces solutions peu robustes, mais nous proposons un modèle dynamique utilisant une fenêtre glissante susceptible de prendre en compte des incertitudes de quelques minutes avec un impact réduit sur le coût de l’allocation. / Air traffic in Europe represents about 30,000 flights each day and forecasts from Eurocontrol predict a growth of 70% by 2020 (50,000 flights per day). The airspace, made up of numerous control sectors, will soon be saturated given the current planification and control methods. In order to make the system able to cope with the predicted traffic growth, the air traffic controllers workload has to be reduced by automated systems that help them handle the aircraft separation task. Based on the traffic demand by airlines, this study proposes a new planning method for 4D trajectories that provides conflict-free traffic to the controller. This planning method consists of two successive steps, each handling a unique flight parameter : a flight level allocation phase followed by a ground holding scheme.We present constraint programming models and an evolutionary algorithm to solve these large scale combinatorial optimization problems, as well as techniques for improving the robustness of the model by handling uncertainties of takeoff times and trajectory prediction. Simulations carried out over the French airspace successfully solved all conflicts, with a mean of one minute allocated delay (80 to 90 minutes for the most delayed flight) and a discrepancy from optimal altitude of one flight level for most of the flights. Handling uncertainties with a static method leads to a dramatic increase in the cost of the previous non-robust solutions. However, we propose a dynamic model to deal with this matter, based on a sliding time horizon, which is likely to be able to cope with a few minutes of uncertainty with reasonable impact on the cost of the solutions.

Avec la forte augmentation actuelle et future du trafic aérien, les questions relatives à la capacité, la sécurité et les effets environnementaux du transport aérien vont se poser de façon chaque fois plus critique. L'objectif général de cette thèse est de contribuer à l'amélioration de l'opération et de l'organisation du trafic aérien dans cette perspective de croissance. Le premier objectif spécifique de cette thèse est de faire la synthèse d'une loi de commande permettant aux avions de transport de suivre avec précision une trajectoire 3D+T. Le deuxième objectif spécifique de cette thèse est d'introduire une organisation particulière des corridors aériens, les airstreams, compatible avec la loi de guidage développée et permettant d'utiliser au mieux la capacité du corridor. Ainsi dans une première étape est introduite la dynamique de guidage des avions de transport, ainsi que les systèmes de guidage et de gestion du vol des avions modernes. Ensuite les principaux éléments de l'organisation de la gestion et du contrôle du trafic aérien sont introduits. La loi de guidage 3D+T est développée, simulée et ses performances sont analysées. L'étude d'une manœuvré de changement de voie dans un airstream est alors menée et mise en œuvre dans le cadre de la gestion du trafic à l'intérieur de celui-ci. Finalement les conclusions et perspectives de cette étude sont présentées / With the increase in air traffic, surely a question of flight efficiency (delays), environment impact and safety arise. This calls for improvements in accuracy of spatial and temporal trajectory tracking. The first main objective of this thesis is to contribute to the synthesis of a space-indexed nonlinear guidance control law for transportation aircraft presenting enhanced tracking performances and to explore the performances and feasibility of a flight guidance control law which is developed based on a space-indexed reference to track a 3D+T reference trajectory using nonlinear dynamic inversion control. The proposed guidance control law present reduced tracking errors and able to meet more easily overfly time constraints. Before presenting the main approaches for the design of the 3D+T guidance control laws; the modern flight guidance and flight dynamics of transportation aircraft, including explicitly wind components are first introduced. Then, a description of the current and modern air traffic organization including the organization of air traffic in high density flow will be shown and this will lead to a description of the Airstreams concept. This proposed concept is to organize main traffic flows in congested airspace along airstreams which are characterized by a three dimensional (3D) common reference track (ASRT). Finally, a scenario to perform basic maneuvers inside the airstream following a 3D+T trajectory using a common space-indexed will be developed and will be used to illustrate the traffic management along an airstream.

L'objectif de cette thèse est de mettre en place une méthodologie et les outils associés en vue d'harmoniser le processus de construction des modèles de performances et de qualités de vol. Pour ce faire, des techniques de réduction de modèles ont été élaborées afin de satisfaire des objectifs industriels contradictoires de taille mémoire, de précision et de temps de calcul. Après avoir établi une méthodologie de construction de modèles réduits et effectué un état de l'art critique, les Réseaux de Neurones et le High Dimensional Model Representation ont été choisis, puis adaptés et validés sur des fonctions de petite dimension. Pour traiter les problèmes de dimension supérieure, une méthode de réduction basée sur la sélection optimale de sous-modèles réduits a été développée, qui permet de satisfaire les exigences de rapidité, de précision et de taille mémoire. L'efficacité de cette méthode a finalement été démontrée sur un modèle de performances des avions destiné à être embarqué. / The objective of this thesis is to provide a methodology and the associated tools in order to standardize the building process of performance and handling quality models. This typically leads to elaborate surrogate models in order to satisfy industrial contrasting objectives of memory size, accuracy and computation time. After listing the different steps of a construction of surrogates methodology and realizing a critical state of the art, Neural Networks and High Dimensional Model Representation methods have been selected and validated on low dimension functions. For functions of higher dimension, a reduction method based on the optimal selection of submodel surrogates has been developed which allows to satisfy the requirements on accuracy, computation time and memory size. The efficiency of this method has been demonstrated on an aircraft performance model which will be embedded into the avionic systems.

Les avantages que présentent les systèmes électriques par rapport aux autres systèmes (mécaniques, hydrauliques et pneumatiques) ont permis d’intensifier l’électrification des systèmes embarqués à bord des aéronefs : c’est le concept d’avion plus électrique. Dans ce contexte, l’approche de conception intégrée par optimisation (CIO) de ces systèmes s’avère aujourd’hui une nécessité pour pouvoir répondre aux exigences en termes d’efficacité énergique, de fiabilité et de masse... Dans cette thèse, nous avons appliqué la CIO à une chaine de conversion électromécanique utilisée dans le système de conditionnement d’air d’un avion. Deux objectifs sont ciblés : la minimisation de la masse du système et l’augmentation de son efficacité énergétique. Ces objectifs sont intégrés à diverses contraintes hétérogènes, allant de la qualité réseau au respect de la mission de vol dans le plan couple – vitesse, en passant par la thermique,… Compte tenu de la complexité du système étudié et de son caractère multidisciplinaire, des approches de conception par optimisation dites « MDO » (pour Multidisciplinary Design Optimization) sont étudiées. En effet, au delà des compétences physiques et techniques, la conception intégrée par optimisation des systèmes complexes nécessite des efforts supplémentaires en termes de méthodologies de conception. Nous avons présenté dans cette thèse trois approches : Approches mono-niveau : séquentielle et globale ; Approche multi-niveaux, couplant niveaux système et niveau constituants (filtre, onduleur, machine) ; des formulations adaptées à notre problème de conception sont présentées afin de résoudre les problèmes liés aux optimisations mono-niveau. Les performances des différentes approches de conception sont présentées analysées et comparées. Les résultats obtenus montrent clairement les avantages que présente la formulation multi-niveaux par rapport aux approches classiques de conception. / The benefits of electrical systems compared to other systems (mechanical, hydraulic and pneumatic) are a serious motivation for the electrification of embedded systems in “more electric aircraft”. In this framework, the integrated optimal design of these systems appears necessary to meet requirements in terms of efficiency, reliability and weight reduction. In this thesis, we have applied the integrated optimal design to an electromechanical system used in the air conditioning system of a more electric aircraft. Two objectives are targeted: the minimization of the system weight and the increase of its efficiency. Both objectives are integrated with several heterogeneous constraints, from network quality till flight mission fulfilment in the torque vs speed plan. Because of the complexity of the studied system and its multidisciplinary nature, "MDO" approaches (for multidisciplinary Design Optimization) are studied. In fact, beyond physical and technical skills, integrated optimal design of complex systems requires additional efforts in terms of design methodologies. Three approaches are presented in this thesis: One-level Approaches: sequential and global; Multilevel approach, coupling “system” level with “device” level (filter, inverter, electric machine); a set of formulations adapted to our design problem are presented to solve the issues associated to the one-level approaches. The performance of these design approaches are presented, analyzed and compared. The results clearly show the advantages that involves multilevel formulation compared to conventional design approaches.

Les mini-drones à propulsion électrique sont susceptibles d’avoir une endurance inférieure à celle de drones plus grands.L’exploitation des interactions aérodynamiques, inspirée par les oiseaux migratoires, ainsi que le ravitaillement en vol , sont des approches prometteuses pour améliorer l’endurance des mini-drones. La commande par modes glissants d’ordre supérieur en temps continu (CTHOSM) a été considérée comme un candidat prometteur à ce problème ouvert difficile et a été appliquée avec succès à des modèles cinématiques simples. Dans nos travaux, nous étudions les implications de la présence de la dynamique de la boucle interne et de l’implémentation en temps discret à des taux d’échantillonnage modérés et constatons alors que l’application de la commande CTHOSM devient impossible. Nous proposons donc un schéma de guidage prédictif discret par modes glissants pour approximer les performances de la commande CTHOSM pour une dynamique réaliste du drone. On propose également un problème de référence accessible pour d'autres chercheurs. Les algorithmes de localisation probabilistes existants ne permettent pas la caractérisation de régions de confiance garanties de la position des autres membres de la formation. Dans ce contexte, nous proposons un nouveau filtre ensembliste caractérisant de telles régions de confiance sous forme ellipsoïdale. Nos premières évaluations ont montré que les efforts de calcul induits par cette mise en œuvre restent parfaitement compatibles avec les contraintes des systèmes avioniques des petits drones. / Small, electrically driven unmanned aircraft are likely to suffer from inferior endurance compared to their larger counterparts. Upwash exploitation by tight formation flight, as well as aerial recharging are the most promising control-driven approaches to mitigate this disadvantage. Continuous time higher order sliding mode control (CTHOSM) has been considered as a candidate for this challenging open problem and was successfully applied to simple kinematic models in simulation, where excellent relative position tracking performance can be demonstrated. In this work we study the implications of the presence of inner loop dynamics and discrete implementation at moderate sampling rates and we find that it precludes the application of CTHOSM control to fixed-wing UAS. We propose a predictive discrete sliding mode guidance scheme to approximate the performance of CTHOSM control assuming realistic fixed-wing UAS dynamics. We show that the proposed guidance scheme in combination with inner load factor tracking loops and a disturbance observer allows for relative position tracking performance compatible with the requirements of upwash exploitation. We propose as well an openly accessible benchmark problem. Existing probabilistic localization algorithms cannot provide guaranteed confidence regions of the relative position between UAS. We present a set membership filter that provides ellipsoidal regions guaranteed to contain the relative positions of the other UAS. It is compatible with the hardware constraints of small low-cost UAS. Simulations suggest computational efforts compatible with the computational resources typically available onboard small UAS.

Dans cette thèse , nous proposons d’étudier des questions sur le parallélism de tâche avec dépendance de données dans le cadre de machines multicoeur avec des accélérateurs. La solution proposée a été développée en utilisant l’interface de programmation haute niveau XKaapi du projet MOAIS de l’INRIA Rhône-Alpes. D’abord nous avons étudié des questions liés à une approche d’exécution totalement asyncrone et l’ordonnancement par vol de travail sur des architectures multi-GPU. Le vol de travail avec localité de données a montré des résultats significatifs, mais il ne prend pas en compte des différents ressources de calcul. Ensuite nous avons conçu une interface et une modèle de coût qui permettent d’écrire des politiques d’ordonnancement sur XKaapi. Finalement on a évalué XKaapi sur un coprocesseur Intel Xeon Phi en mode natif. Notre conclusion est double. D’abord nous avons montré que le modèle de programmation data-flow peut être efficace sur des accélérateurs tels que des GPUs ou des coprocesseurs Intel Xeon Phi. Ensuite, le support à des différents politiques d’ordonnancement est indispensable. Les modèles de coût permettent d’obtenir de performance significatifs sur des calculs très réguliers, tandis que le vol de travail permet de redistribuer la charge en cours d’exécution. / Esta tese investiga os desafios no uso de paralelismo de tarefas com dependências de dados em arquiteturas multi-CPU com aceleradores. Para tanto, o XKaapi, desenvolvido no grupo de pesquisa MOAIS (INRIA Rhône-Alpes), é a ferramenta de programação base deste trabalho. Em um primeiro momento, este trabalho propôs extensões ao XKaapi a fim de sobrepor transferência de dados com execução através de operações concorrentes em GPU, em conjunto com escalonamento por roubo de tarefas em multi-GPU. Os resultados experimentais sugerem que o suporte a asincronismo é importante à escalabilidade e desempenho em multi-GPU. Apesar da localidade de dados, o roubo de tarefas não pondera a capacidade de processamento das unidades de processamento disponíveis. Nós estudamos estratégias de escalonamento com predição de desempenho em tempo de execução através de modelos de custo de execução. Desenvolveu-se um framework sobre o XKaapi de escalonamento que proporciona a implementação de diferentes algoritmos de escalonamento. Esta tese também avaliou o XKaapi em coprocessodores Intel Xeon Phi para execução nativa. A conclusão desta tese é dupla. Primeiramente, nós concluímos que um modelo de programação com dependências de dados pode ser eficiente em aceleradores, tais como GPUs e coprocessadores Intel Xeon Phi. Não obstante, uma ferramenta de programação com suporte a diferentes estratégias de escalonamento é essencial. Modelos de custo podem ser usados no contexto de algoritmos paralelos regulares, enquanto que o roubo de tarefas poder reagir a desbalanceamentos em tempo de execução. / In this thesis, we propose to study the issues of task parallelism with data dependencies on multicore architectures with accelerators. We target those architectures with the XKaapi runtime system developed by the MOAIS team (INRIA Rhône-Alpes). We first studied the issues on multi-GPU architectures for asynchronous execution and scheduling. Work stealing with heuristics showed significant performance results, but did not consider the computing power of different resources. Next, we designed a scheduling framework and a performance model to support scheduling strategies over XKaapi runtime. Finally, we performed experimental evaluations over the Intel Xeon Phi coprocessor in native execution. Our conclusion is twofold. First we concluded that data-flow task programming can be efficient on accelerators, which may be GPUs or Intel Xeon Phi coprocessors. Second, the runtime support of different scheduling strategies is essential. Cost models provide significant performance results over very regular computations, while work stealing can react to imbalances at runtime.

Nous présentons deux contributions dans le domaine de la programmation parallèle. La première est théorique : nous introduisons l’analyse SIPS, une approche nouvelle pour dénombrer le nombre d’opérations de synchronisation durant l’exécution d’un algorithme parallèle ordonnancé par vol de travail. Basée sur le concept d’horloges logiques, elle nous permet : d’une part de donner de nouvelles majorations de coût en moyenne; d’autre part de concevoir des programmes parallèles plus efficaces par adaptation dynamique de la granularité. La seconde contribution est pragmatique : nous présentons une parallélisation générique d’algorithmes pour la génération déterministe de nombres pseudo-aléatoires, indépendamment du nombre de processus concurrents lors de l’exécution. Alternative à l’utilisation d’un générateur pseudo-aléatoire séquentiel par processus, nous introduisons une API générique, appelée Par-R qui est conçue et analysée grâce à SIPS. Sa caractéristique principale est d’exploiter un générateur séquentiel qui peut “sauter” directement d’un nombre à un autre situé à une distance arbitraire dans la séquence pseudo-aléatoire. Grâce à l’analyse SIPS, nous montrons qu’en moyenne, lors d’une exécution par vol de travail d’un programme très parallèle (dont la profondeur ou chemin critique est très petite devant le travail ou nombre d’opérations), ces opérations de saut sont rares. Par-R est comparé au générateur pseudo-aléatoire DotMix écrit pour Cilk Plus, une extension de C/C++ pour la programmation parallèle par vol de travail. Le surcout théorique de Par-R se compare favorablement au surcoput de DotMix, ce qui apparait aussi expériemntalement. De plus, étant générique, Par-R est indépendant du générateur séquentiel sous-jacent. / Nós apresentamos duas contribuições para a área de programação paralela. A primeira contribuição é teórica: nós introduzimos a análise SIPS, uma nova abordagem para a estimar o número de sincronizações realizadas durante a execução de um algoritmo paralelo. SIPS generaliza o conceito de relógios lógicos para contar o número de sincronizações realizadas por um algoritmo paralelo e é capaz de calcular limites do pior caso mesmo na presença de execuções paralelas não-determinísticas, as quais não são geralmente cobertas por análises no estado-da-arte. Nossa análise nos permite estimar novos limites de pior caso para computações escalonadas pelo popular algoritmo de roubo de tarefas e também projetar programas paralelos e adaptáveis que são mais eficientes. A segunda contribuição é pragmática: nós apresentamos uma estratégia de paralelização eficiente para a geração de números pseudoaleatórios. Como uma alternativa para implementações fixas de componentes de geração aleatória nós introduzimos uma API chamada Par-R, projetada e analisada utilizando-se SIPS. Sua principal idea é o uso da capacidade de um gerador sequencial R de realizar um “pulo” eficiente dentro do fluxo de números gerados; nós os associamos a operações realizadas pelo escalonador por roubo de tarefas, o qual nossa análise baseada em SIPS demonstra ocorrer raramente em média. Par-R é comparado com o gerador paralelo de números pseudoaleatórios DotMix, escrito para a plataforma de multithreading dinâmico Cilk Plus. A latência de Par-R tem comparação favorável à latência do DotMix, o que é confirmado experimentalmente, mas não requer o uso subjacente fixado de um dado gerador aleatório. / We present two contributions to the field of parallel programming. The first contribution is theoretical: we introduce SIPS analysis, a novel approach to estimate the number of synchronizations performed during the execution of a parallel algorithm. Based on the concept of logical clocks, it allows us: on one hand, to deliver new bounds for the number of synchronizations, in expectation; on the other hand, to design more efficient parallel programs by dynamic adaptation of the granularity. The second contribution is pragmatic: we present an efficient parallelization strategy for pseudorandom number generation, independent of the number of concurrent processes participating in a computation. As an alternative to the use of one sequential generator per process, we introduce a generic API called Par-R, which is designed and analyzed using SIPS. Its main characteristic is the use of a sequential generator that can perform a “jump-ahead” directly from one number to another on an arbitrary distance within the pseudorandom sequence. Thanks to SIPS, we show that, in expectation, within an execution scheduled by work stealing of a “very parallel” program (whose depth or critical path is subtle when compared to the work or number of operations), these operations are rare. Par-R is compared with the parallel pseudorandom number generator DotMix, written for the Cilk Plus dynamic multithreading platform. The theoretical overhead of Par-R compares favorably to DotMix’s overhead, what is confirmed experimentally, while not requiring a fixed generator underneath.

Dans cette thèse , nous proposons d’étudier des questions sur le parallélism de tâche avec dépendance de données dans le cadre de machines multicoeur avec des accélérateurs. La solution proposée a été développée en utilisant l’interface de programmation haute niveau XKaapi du projet MOAIS de l’INRIA Rhône-Alpes. D’abord nous avons étudié des questions liés à une approche d’exécution totalement asyncrone et l’ordonnancement par vol de travail sur des architectures multi-GPU. Le vol de travail avec localité de données a montré des résultats significatifs, mais il ne prend pas en compte des différents ressources de calcul. Ensuite nous avons conçu une interface et une modèle de coût qui permettent d’écrire des politiques d’ordonnancement sur XKaapi. Finalement on a évalué XKaapi sur un coprocesseur Intel Xeon Phi en mode natif. Notre conclusion est double. D’abord nous avons montré que le modèle de programmation data-flow peut être efficace sur des accélérateurs tels que des GPUs ou des coprocesseurs Intel Xeon Phi. Ensuite, le support à des différents politiques d’ordonnancement est indispensable. Les modèles de coût permettent d’obtenir de performance significatifs sur des calculs très réguliers, tandis que le vol de travail permet de redistribuer la charge en cours d’exécution. / Esta tese investiga os desafios no uso de paralelismo de tarefas com dependências de dados em arquiteturas multi-CPU com aceleradores. Para tanto, o XKaapi, desenvolvido no grupo de pesquisa MOAIS (INRIA Rhône-Alpes), é a ferramenta de programação base deste trabalho. Em um primeiro momento, este trabalho propôs extensões ao XKaapi a fim de sobrepor transferência de dados com execução através de operações concorrentes em GPU, em conjunto com escalonamento por roubo de tarefas em multi-GPU. Os resultados experimentais sugerem que o suporte a asincronismo é importante à escalabilidade e desempenho em multi-GPU. Apesar da localidade de dados, o roubo de tarefas não pondera a capacidade de processamento das unidades de processamento disponíveis. Nós estudamos estratégias de escalonamento com predição de desempenho em tempo de execução através de modelos de custo de execução. Desenvolveu-se um framework sobre o XKaapi de escalonamento que proporciona a implementação de diferentes algoritmos de escalonamento. Esta tese também avaliou o XKaapi em coprocessodores Intel Xeon Phi para execução nativa. A conclusão desta tese é dupla. Primeiramente, nós concluímos que um modelo de programação com dependências de dados pode ser eficiente em aceleradores, tais como GPUs e coprocessadores Intel Xeon Phi. Não obstante, uma ferramenta de programação com suporte a diferentes estratégias de escalonamento é essencial. Modelos de custo podem ser usados no contexto de algoritmos paralelos regulares, enquanto que o roubo de tarefas poder reagir a desbalanceamentos em tempo de execução. / In this thesis, we propose to study the issues of task parallelism with data dependencies on multicore architectures with accelerators. We target those architectures with the XKaapi runtime system developed by the MOAIS team (INRIA Rhône-Alpes). We first studied the issues on multi-GPU architectures for asynchronous execution and scheduling. Work stealing with heuristics showed significant performance results, but did not consider the computing power of different resources. Next, we designed a scheduling framework and a performance model to support scheduling strategies over XKaapi runtime. Finally, we performed experimental evaluations over the Intel Xeon Phi coprocessor in native execution. Our conclusion is twofold. First we concluded that data-flow task programming can be efficient on accelerators, which may be GPUs or Intel Xeon Phi coprocessors. Second, the runtime support of different scheduling strategies is essential. Cost models provide significant performance results over very regular computations, while work stealing can react to imbalances at runtime.

La médecine moderne fait usage de divers appareils pour faciliter le diagnostic et le traitement des maladies. Parmi ceux-ci, l’imagerie par tomographie d’émission par positrons (TEP) se démarque par sa capacité d’imager des processus biologiques spécifiques comme le métabolisme du glucose. Cette caractéristique permet de mettre en évidence des signes distinctifs des maladies comme le cancer à l’aide de radiotraceurs capables de cibler certaines cellules. Dans le but de favoriser de meilleurs diagnostics et de mener des recherches de pointe dans le domaine médical, la qualité des images produites par les appareils TEP doit être améliorée. Les avancées des dernières années ont permis d’améliorer la résolution spatiale des images jusqu’à pratiquement atteindre la limite théorique imposée par le déplacement du positron lors du processus de désintégration. Depuis, les travaux s’orientent plutôt vers l’amélioration du contraste de l’image en intégrant la mesure du temps de vol (TdV) dans l’algorithme de reconstruction. Le défi dans cette mesure réside dans la conception d’un photodétecteur avec une résolution temporelle suffisante pour localiser le lieu d’émission du radiotraceur entre deux détecteurs coïncidents. La plupart des photodétecteurs actuels utilisent un seuil sur le nombre de photons de scintillation observé pour déterminer le temps d’arrivée des photons d’annihilation dans le scintillateur. Cependant, plusieurs travaux ont démontré qu’une meilleure résolution temporelle est atteignable en pondérant adéquatement l’information temporelle numérisée de plusieurs photons de scintillation à la place de n’en considérer qu’un seul. Dans le but d’améliorer la résolution temporelle des photodétecteurs, l’utilisation d’un estimateur statistique combinant l’information de plusieurs photons de scintillation se révèle une méthode prometteuse en considérant les résultats théoriques. Cependant, une implémentation matérielle pouvant être intégrée à un appareil TEP reste à être démontrée. Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur l’intégration d’un tel estimateur statistique à un photodétecteur pour la TEP. Ces travaux ont mené au développement d’une chaine d’acquisition qui comporte 1) un circuit de lecture, 2) une trieuse, 3) un filtre de bruit thermique et 4) un estimateur statistique du temps d’interaction basé sur le Best Linear Unbiased Estimator (BLUE). L’intégration de cette chaine à même le circuit intégré du photodétecteur de 1 x 1 mm2 en CMOS 65 nm permet de réduire la bande passante de 250 Mbit/s à 0,5 Mbit/s et le temps mort de 68,6 μs à 1024 ns. Des simulations démontrent l’atteinte d’une résolution temporelle qui s’approche de la limite inférieure théorique (appelée borne de Cramér-Rao) quant à la résolution temporelle atteignable par ce photodétecteur.