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Supercomputers are used to solve complex and demanding computational problems (simulations, climate and weather forecasting, modelling, etc), impossible to run on regular computers. These supercomputers are composed of many powerful computers, interconnected through a network. While the power of thesesupercomputers increases over time, it becomes more and more challenging to develop applications taking benefit from all offered computing power. Indeed, many aspects have to be considered by the developer: heterogeneous computing units programmed in different manners, memory hierarchy and transfers, network communications, scheduling, etc. To overcome these challenges, task-based runtime systems have emerged. They model applications by graph of tasks: sub-computations and dependencies between them form a graph. The programmer has to provide the implementations of the tasks for eachtargeted computing unit, express dependencies between the tasks and then the runtime system is in charge of the application execution: scheduling tasks on different computing units, performing required memory movements between memories and network transfers, etc.In this thesis, we explore the possible interactions between a task-based runtime system and the communication library it relies on to perform network transfers. The goal is to make these two software layers more collaborate, to improve performance of executed applications. To understand and analyze theinteractions between the runtime systems and communications, tracing applications is a powerful technique. However, it can have some limitations. Thus, we first evaluate sources of performance overhead when tracing applications, propose solution to alleviate them and evaluate the impact of clock synchronization accuracy for distributed application tracing. Then, as a positive interaction between the task-based runtime system and the communication library, we propose a solution to efficiently send the same piece of data to several nodes, coping with the constraints of the considered runtime system. On the other hand, we also consider possible negative interactions, by evaluating the different sources of interference between computations and communications being executed in parallel, more or less degrading their respective performance. Since we observe memory contention between computations and communications have the most impact, we finally propose a model predicting the memory bandwidth share between computations and communications, to better understand the behavior of the memory system in case of contention and be able to take into account this phenomenon into decisions of the runtime system. Contributions presented in this manuscript show that improving interactions andcooperation between task-based runtime systems and communication libraries haspotential to increase performance of HPC applications.; Les supercalculateurs sont utilisés pour résoudre des problèmes numériques complexes demandant beaucoup de ressources de calcul (simulations, prévisions météorologiques, modélisations, etc), impossibles à exécuter sur des ordinateurs classiques. Ces supercalculateurs sont composés de nombreux puissants ordinateurs, connectés par un réseau. Bien que la puissance de ces supercalculateurs ne cesse d'augmenter, le développement d'applications exploitant toute leur puissance de calcul est de plus en plus complexe. En effet, de nombreux aspects doivent être considérés: des unités de calculs hétérogènes qui se programment différemment, la hiérarchie mémoire et les transferts de données, les communications réseau, l'ordonnancement, etc. Pour parer à ces difficultés, les supports d'exécutions à tâches ont émergé: ils représentent les applications par des graphes de tâches. Les différentes opérations exécutées par l'application et les dépendances entre elles forment un graphe. Il suffit alors de donner une implémentation de chaque tâche pour les unités de calcul ciblées, les dépendances entre les tâches et le support d'exécution se charge d'exécuter l'application: ordonnancer les tâches sur les différentes unités de calcul, réaliser les transferts mémoire et les communications réseau nécessaires, etc.Dans cette thèse, nous explorons les différentes interactions possibles entre les supports d'exécution à tâches et la bibliothèque de communication utilisée pour réaliser les transferts réseau. L'objectif est de faire plus collaborer ces deux couches logicielles, pour améliorer la performances des applications exécutées. Pour analyser et comprendre les interactions entre les supports d'exécution et les communications, tracer les applications est une technique pertinente, malgré certaines limitations. C'est pourquoi nous commençons par évaluer les surcoûts possibles en termes de performances induits par un système de traces. Nous proposons des techniques pour réduire ces surcoûts et avons également évalué l'impact de la précision de la synchronisation d'horloge pour les traces distribuées. Ensuite, comme interaction positive entre un support d'exécution à tâches et la bibliothèque de communications, nous proposons une solution pour efficacement envoyer une même donnée à plusieurs destinataires, tout en respectant les contraintes du support d'exécution. D'autre part, nous considérons également les éventuelles interactions négatives, en évaluant les différentes sources d'interférences entre les calculs et les communications exécutés en parallèle, dégradant leurs performances respectives. Ayant observé que la contention mémoire entre les calculs et les communications a le plus d'impact, nous proposons finalement un modèle prédisant la répartition de la bande-passante mémoire entre les calculs et les communications. Ce modèle permet de mieux comprendre le comportement du composant mémoire en cas de contention et de prendre en compte ce phénomène dans les décisions du support d'exécution. Les contributions présentées montrent qu'améliorer les interactions entre les supports d'exécutions à tâches et les bibliothèques de communications a du potentiel pour améliorer les performances des applications HPC.

Clustering, which aims at achieving natural groupings of data, is a fundamental and challenging task in machine learning and data mining. Numerous clustering methods have been proposed in the past, among which k-means is one of the most famous and commonly used methods due to its simplicity and efficiency.Spectral clustering is a more recent approach that usually achieves higher clustering quality than k-means. However, classical algorithms of spectral clustering suffer from a lack of scalability due to their high complexities in terms of number of operations and memory space requirements. This scalability challenge can be addressed by applying approximation methods or by employing parallel and distributed computing.The objective of this thesis is to accelerate spectral clustering and make it scalable to large datasets by combining representatives-based approximation with parallel computing on CPU-GPU platforms. Considering different scenarios, we propose several parallel processing chains for large-scale spectral clustering. We design optimized parallel algorithms and implementations for each module of the proposed chains: parallel k-means on CPU and GPU, parallel spectral clustering on GPU using sparse storage format, parallel filtering of data noise on GPU, etc. Our various experiments reach high performance and validate the scalability of each module and the complete chains.; Clustering, qui consiste à réaliser des groupements naturels de données, est une tâche fondamentale et difficile dans l'apprentissage automatique et l'exploration de données. De nombreuses méthodes de clustering ont été proposées dans le passé, parmi lesquelles le clustering en k-moyennes qui est une méthode couramment utilisée en raison de sa simplicité et de sa rapidité.Le clustering spectral est une approche plus récente qui permet généralement d'obtenir une meilleure qualité de clustering que les k-moyennes. Cependant, les algorithmes classiques de clustering spectral souffrent d'un manque de passage à l'échelle en raison de leurs grandes complexités en nombre d'opérations et en espace mémoire nécessaires. Ce problème de passage à l'échelle peut être traité en appliquant des méthodes d'approximation ou en utilisant le calcul parallèle et distribué.L'objectif de cette thèse est d'accélérer le clustering spectral et de le rendre applicable à de grands ensembles de données en combinant l'approximation basée sur des données représentatives avec le calcul parallèle sur processeurs CPU et GPU. En considérant différents scénarios, nous proposons plusieurs chaînes de traitement parallèle pour le clustering spectral à grande échelle. Nous concevons des algorithmes et des implémentations parallèles optimisés pour les modules de chaque chaîne proposée : un algorithme parallèle des k-moyennes sur CPU et GPU, un clustering spectral parallèle sur GPU avec un format de stockage creux, un filtrage parallèle sur GPU du bruit dans les données, etc. Nos expériences variées atteignent de grandes performances et valident le passage à l'échelle de chaque module et de nos chaînes complètes.

We illustrate the benefits of Algorithmic Differentiation (AD) for the development of aerodynamic flow simulation software. In refining the architecture of the elsA CFD solver, developed jointly by ONERA and Safran, we consider AD as a key technology to cut development costs of some derivatives of interest, namely the tangent, adjoint, and Jacobian. We first recall the mathematical background of CFD applications which involve these derivatives. Then, we briefly present the software architecture of elsA (Cambier et al. [12]) and the design choices which give it its HPC capability while highlighting how these choices strongly constrain the applicability of AD. To meet our efficiency requirements, we select the Source-Transformation approach to AD through the Tapenade tool which is justified by a series of experiments and benchmarks. Finally, we present results on large scale configurations., On montre les bénéfices de la différentation algorithmique (AD) pour le développement de code de simulation aérodynamique. Lors de la réarchitecture du solveur CFD elsA, développé conjointement par l'ONERA, Airbus et Safran, on considère que l'AD est une technologie indispensable pour réduire les coûts de développement de certaines dérivées d'intérêt, i.e. les modes tangent, adjoint et jacobien. On rappelle le contexte mathématique qui rend central ces dérivées particulières. On présente brièvement l’architecture logicielle d’elsA et les choix de conception qui lui confèrent sa capacité HPC. On discute en quoi ces choix contraignent fortement l’applicabilité de l'AD. Pour répondre à nos exigences en matière d'efficacité, nous avons choisi l'approche Source-Transformation de AD et l'outil Tapenade, au regard d'une série d'expériences et de mesures que l'on présente ici. Enfin, les résultats de simulations plus ambitieuses réalisées récemment avec cette amélioration du logiciel elsA sont montrés.

The polyhedral model is a algebraic-based framework which enables efficient code optimization for computer-intensive programs which has been a prolific area of research since its inception. However, its strong assumptions about the shape of the control flow and memory accesses makes its application quite narrow in practice, even if many efforts have been done to extend it, mostly in the direction of more complex control-flow.In this thesis, we propose to explore two research directions in order to deal with arbitrary control flow and memory pattern accesses, and target other data structures than arrays. Our first contribution is a semantic-based rephrasing of the framework that partially answers the first question and could sustain more in-depth research on the extension of the scope of the model to encompass "almost polyhedral programs". This contribution highlights the static program properties used by the polyhedral algorithms.Our second contribution deals with algebraic data types, such as trees, which are, if not as common as arrays in scientific programs, ubiquitous in many algorithms. We propose a compilation scheme for algebraic data types laid out in memory according to a fixed layout. Memory movements are characterized "in the polyhedral model style" which enables optimized C code generation. All in all, this thesis contributes to the on-going research of the polyhedral model on two points: by giving another point of view of polyhedral programs and by exploring how algebraic data types could reuse ideas from the framework.; Le modèle polyédrique est un framework algébrique qui permet une optimisation efficace des programmes de calculs intensifs. Ce domaine de recherche a été un domaine de recherche prolifique depuis sa création. Cependant, ses hypothèses fortes sur la forme du flot de contrôle et des accès mémoires rendent son application assez limitée en pratique, même si de nombreux efforts ont été faits pour l'étendre, principalement en autorisant des programmes avec des flots de contrôle plus complexes. Dans cette thèse, nous proposons d'explorer deux directions de recherche afin de traiter un flot de contrôle et des accès mémoires de forme arbitraire, et de cibler d'autres structures de données que les tableaux. Notre première contribution est une reformulation sémantique du modèle polyédrique qui répond partiellement à la première question et qui pourrait servir de base mathématique pour des résultats plus fins sur les extensions possibles de la portée du modèle. Cette contribution met en évidence les propriétés statiques des programmes utilisées par les algorithmes polyédriques.Notre deuxième contribution traite des types de données algébriques, tels que les arbres, qui, s'ils ne sont pas aussi courants que les tableaux dans les programmes scientifiques, sont omniprésents dans de nombreux algorithmes. Nous proposons un schéma de compilation pour ces types de donnée, en les représentant en mémoire selon une disposition fixe. Les mouvements en mémoire sont caractérisés dans le style du modèle polyédrique, ce qui permet une génération de code C optimisée. En résumé, cette thèse contribue à la recherche en cours sur le modèle polyédrique sur deux points : en donnant un autre point de vue sur les programmes polyédriques et en explorant comment les types de données algébriques pourraient réutiliser les idées du cadre.

In high performance computing, platforms (the supercomputers) are composed of computational resources divided into racks. Each rack have one (sometimes several) I/O nodes to access the parallel file system (PFS). Following the growth and the optimization of the machines, the amount of data involved in the calculation is increasing. As different parts of these racks are allocated to independent applications, and as the storage is shared between these, too many concurrent accesses can lead to contention and performance loss.This thesis consist in studying strategies to map applications on the platform and scheduling the different accesses to the storage system in order to avoid contention. We discuss the relevance of our solution both from the administrators point of view (using the throughput) and from the users one (using stretch).In a first part, we assume that the mapping was done upstream and only study the scheduling of bandwidth accesses in order to minimize the latency. We show the intractability of the standard I/O scheduling problem, discuss some simple cases and show the relevance of List-scheduling policies.In a second part, we extend our problematic to the problem of mapping applicationsinto the nodes in order to avoid concurrent accesses.To solve this problem, we propose a pack algorithm which, on a single I/O node, increases greatly the stretch while slightly degrading the makespan. However, this degradation in the consequence of a stricter control on resource usage. This allows to a better scaling with more I/O nodes as well as facilitating loss recovery with back-filling for example.Finally, we discuss how to extend standard resource management strategies such as list scheduling and the aforementioned pack scheduling in order to take I/O into account and what it means in terms of resource utilization and performance. Such strategies are largely used by HPC platform for resource allocation due to their simplicity. We observe that the pack scheduling policy induces a limitation on average that enables intensive I/O phases on condition that they are compensated during the execution. In comparison, list strategies always follow the prescribed restriction and are therefore more restrictive. It follows that pack scheduling are to be preferred when high quantities of data compared to the available bandwidth are involved. In most of our work, we considered that I/O accesses were exclusive. However, in highlighting notable performance discrepancies depending on the similarity between applications, we showed that some should be executed in parallel. As a conclusion, we discuss the recent development of our models seek to determine how to define these applications partitions.; En calcul haute performance, les plateformes (supercalculateurs) sont composées de ressources de calcul multiples divisées en étagères.Chacune d’elles possède un (ou plusieurs) nœuds d’E/S dédiés à l’accès au système de fichiers parallèles. Suivant la croissance et l’optimisation des machines, les quantités de données mises en jeux dans les calculs augmentent. Comme différentes parties de ces plateformes sont allouées à des applications indépendantes, et comme le système de stockage est partagé par toutes, de trop nombreux accès concurrent peuvent mener à de la contention et à une perte de performance.Cette thèse consiste à étudier des stratégies de placement d’applications sur la plateforme et comment ordonner les différents accès au système de stockage afin d’éviter la contention.Nous discutons de la pertinence de nos solutions à la fois du point de vue des administrateurs (en utilisant le débit) et du point de vue des utilisateurs (à travers le ralentissement).Dans une première partie, nous considérons que le placement effectué en amont et nous concentrons sur l’étude de l’ordonnancement des accès à la bande passante dans le but de minimiser la latence. Nous montrons que le problème d’ordonnancement d’E/S standard est NP-difficile. Nous étudions donc des cas simples et montrons la pertinence d’heuristiques de listes.Dans une seconde partie, nous étendons notre problématique au placement des applications sur les nœuds afin de limiter les accès concurrents.Afin de résoudre ce problème, nous proposons un algorithme par paquets qui, sur un nœud d’E/S simple diminue considérablement le ralentissement tout en dégradant seulement légèrement le temps total d’exécution. Cependant cette dégradation est la conséquence logique d’un plus grand contrôle sur les ressources utilisées. Cela permet un meilleur passage à l’échelle quand le nombre de nœuds d’E/S augmente tout en facilitant la récupération des des ressources inutilisées par des méthodes de remblayage par exemple.Enfin, nous étudions comment étendre les stratégies standard de gestion de ressource telles que les heuristiques de liste et les techniques susmentionnées d’ordonnancement par paquets dans le but d’inclure les E/S et ce que cela signifie en terme d’utilisation de ressources et de performance.De telles stratégies, sont largement utilisées par les plateformes de calcul haute performance pour l’allocation de ressources en raison de leur simplicité. Nous observons que les stratégies par paquets induisent une limitation en moyenne qui permet des phases d’E/S intensives à la condition qu’elles soient compensées au cours de l’exécution. En comparaison, les stratégies de listes suivent constamment la restriction prescrite et sont par conséquent plus restrictives.Il en résulte que les stratégies par paquets sont préférables lorsque de grandes quantités de données relativement à la bande passante disponible sont impliquées.Dans la majeure partie de notre travail, nous considérons que les accès à la bande passante sont exclusifs. Cependant, en soulignant des différences notables de performances en fonction du degré de similarité des applications, nous montrons que certains de ces accès devraient être exécutés en parallèle. En conclusion, nous esquissons des développement récents de nos modèles cherchant à déterminer quelles partitions d’applications seraient concernées.

International audience; Scalability of parallel solvers for problems with high heterogeneities relies on adaptive coarse spaces built from generalized eigenvalue problems in the subdomains. The corresponding theory is powerful and flexible but the development of an efficient parallel implementation is challenging. We report here on recent advances in adaptive coarse spaces and on their open source implementations in domain specific languages such as FreeFem, focusing on a new domain decomposition for saddle point formulations with some numerical tests.; L’extensibilité des solveurs parallèles pour les problèmes à forte hétérogénéité repose sur des espaces grossiers adaptatifs construits à partir de problèmes de valeurs propres généralisés dans les sous-domaines. La théorie correspondante est puissante et flexible mais le développement d’une implémentation parallèle efficace est un défi. Nous présentons ici les avancées récentes en matière d’espaces grossiers adaptatifs et leurs implémentations open source dans des langages spécifiques au domaine tels que FreeFem, en nous concentrant sur une nouvelle décomposition de domaine pour les formulations de points de selle avec des tests numériques.

Emmanuelle Saillard est Chargée de recherche au sein du Centre Inria de l’université de Bordeaux. Ses travaux de recherche s’orientent autour du HPC (calcul haute performance), et plus particulièrement sur le développement d’outils permettant d’aider les personnes qui créent des applications à les écrire de manière correcte et efficace. Rencontre avec cette jeune scientifique et explication de son parcours.[CanaU][Pour en savoir plus voir l'article Pixees]

In the last two decades, cosmology has been propelled by numerous theoretical and experimental developments allowing it to enter into the high precision era. New experiments are currently being prepared to start operating in the coming years and continue pushing the frontiers of knowledge and improve our theoretical understanding of the inner workings of the Universe. In particular, the next generation of cosmic microwave background (CMB) experiments will enable the mapping of the CMB temperature and polarization anisotropies with unprecedented precision, from the largest degree scale patterns on the sky down to arcminute scales. They will hence open a unique window on both the primordial Universe and its late time evolution. These measurements will encode key insights on the nature of dark matter, dark energy and the physics of neutrinos, and may reveal for the first time the presence of primordial gravitational waves, thought to be generated during the inflationary phase at energies close to the scale of the Grand Unified Theories in the very early Universe. Reaching these ambitious scientific goals entails building experiments with exceptional complexity. The extremely faint signals we are attempting to measure require both very high sensitivities, and hence the collection of huge volumes of data, as well as a precise control of all systematic effects. This makes the scientific exploitation and analysis of the data uniquely challenging from both a computational and methodological point of view. This work focuses on tackling these issues in the early stages of the analysis where we deal with the full size of the time-domain data. I generalize the map-making procedure, to allow for efficient mitigation of some of the major time-domain systematic effects concurrently with the unbiased estimation of sky maps. I address both computational and methodological challenges, in the context of stage-3 CMB ground experiments such as Simons Array and the Simons Observatory, developing a massively parallel framework tested and validated on state-of-the-art supercomputing architectures. The framework provides robust methods to solve the map-making problem in the presence of numerous time-domain systematic effects, which need to be modeled with sufficient accuracy for a robust measurement of cosmological signals of interest such as B-modes from inflationary gravitational waves.; Durant les deux dernières décennies, la cosmologie a été propulsée par de nombreux développements théoriques et expérimentaux lui permettant d'entrer dans l'ère de la haute précision. De nouvelles expériences sont actuellement en cours de préparation pour débuter leurs opérations dans les prochaines années et continuer de pousser les frontières du savoir et améliorer notre compréhension théorique des rouages internes de l'Univers. En particulier, la prochaine génération d'observatoires du fond diffus cosmologique (Cosmic Microwave Background - CMB) permettra la cartographie des anisotropies de température et de polarisation du CMB avec une précision inédite, sur des échelles allant du degré sur le ciel jusqu'aux minutes d'arc. Ces observatoires vont ainsi ouvrir une fenêtre unique sur l'Univers primordial ainsi que sur son évolution récente. Ces mesures contiennent des informations clés sur la nature de la matière noire, l'énergie noire, ainsi que la physique des neutrinos, et pourraient également révéler l'existence des ondes gravitationnelles primordiales, qui seraient générées durant la phase inflationnaire à des énergies proches de l'échelle des théories de grande unification aux premiers instant de l'Univers. Atteindre ces ambitieux objectifs scientifiques nécessite la construction d'expériences d'une complexité exceptionnelle. Les signaux extrêmement faibles qu'on tente de mesurer requièrent de très grandes sensibilités, et donc la collection de volumes énormes de données, ainsi qu'un contrôle précis des effets systématiques. Ceci rend l'analyse et l'exploitation scientifique des données particulièrement difficile sur le plan, à la fois, computationnel et méthodologique. Le travail présenté dans cette thèse se donne pour objectif de s'attaquer à ces problèmes dans les premières étapes de l'analyse où l'on traite tout le volume des données dans le domaine temporel. Je généralise la procédure de cartographie afin de permettre une mitigation efficace de certains des effets systématiques majeurs dans le domaine temporel simultanément avec l'estimation non biaisée des cartes du ciel. J'aborde à la fois les problèmes computationnels et méthodologiques, posés lors du développement d'observatoires du CMB au sol de type "stage-3" comme Simons Array et Simons Observatory, en développant un environnement massivement parallèle testé et validé sur des supercalculateurs à l'état de l'art mondial. L'environnement offre des méthodes robustes pour la résolution du problème de cartographie en cas de présence de nombreux effets systématiques dans le domaine temporel, qui doivent être modélisés avec une précision suffisante pour permettre une mesure robuste des signaux cosmologiques d'intérêt comme les modes-B issus des ondes gravitationnelles produites lors de l'inflation.

The problem of radiative transfer describes the interaction between light and matte, therefore it appears in many astrophysical systems. This work aims at developing numerical methods for radiation hydrodynamics, when the radiation interacts with a fluid. We use the M1 model that is able to accurately capture the two main regimes arising in problems involving radiative transfer: the optically thin medium in which photons are freestreaming and the optically thick medium in which photons are constantly interacting and obey a diffusion equation in the asymptotic limit. We present several numerical schemes, with different properties: the correct behavior in the asymptotic limit, a time-implicit integration, and the preservation of the admissible states. Their implementation aims at being ready for highperformance computing, on exascale architectures. We apply one of them to the study of the propagation of an ionization front in a massive prestellar dense core.; Le transfert radiatif décrit les interactions entre la lumière et la matière, il apparaît donc dans de nombreux systèmes astrophysiques. Ce travail vise à développer des méthodes numériques pour l’hydrodynamique radiative, lorsque le rayonnement interagit avec un fluide. Nous utilisons le modèle M1 qui est capable de capturer précisément les deux régimes rencontrés dans les problèmes impliquant du transfert radiatif : le milieu optiquement fin dans lequel les photons circulent librement et le milieu optiquement épais dans lequel les photons interagissent constamment et obéissent à une équation de diffusion dans la limite asymptotique. Nous présentons plusieurs schémas numériques, avec différentes propriétés : le bon comportement dans la limite de diffusion, une intégration implicite en temps et la préservation des états admissibles. Leur implémentation vise à être prête pour le calcul haute performance, sur des architectures exascales. Nous appliquons l’un d’eux à l’étude de la propagation d’un front d’ionisation dans uncœur dense pré­stellaire massif.

Anticipating the behavior of applications, studying, and designing algorithms are some of the most important purposes for the performance and correction studies about simulations and applications relating to intensive computing. Many frameworks were designed to simulate large distributed computing infrastructures and the applications running on them. At the node level, some frameworks have also been proposed to simulate task-based parallel applications. However, one missing critical capability from these works is the ability to take Non-Uniform Memory Access (NUMA) effects into account, even though virtually every HPC (High Performance Computing) platform nowadays exhibits such effects. We model different shared-memory architectures by performing our own measures in order to obtain their characteristics. We thus present in this PhD a new simulator for dependency-based task-parallel applications, that enables experimenting with multiple data locality models. It is based on collecting a trace of the sequential execution of the targeted application using the standard OpenMP tracing interface, OMPT (OpenMP Trace). We also introduce three models, two of them being locality-aware performance models: a first model that only takes into account tasks execution time, a lightweight model that uses topology information to weight data transfers, and eventually a more complex model that takes into account data storage in the LLC (Last Level Cache, generally L3). We validate both models on dense linear algebra test cases and show that, on average, our simulator reproducibly and quickly predicts execution time with a small relative error and allows the experimentation and studying of various scheduling heuristics.; Anticiper le comportement des applications, étudier et concevoir des algorithmes sont quelques-uns des objectifs les plus importants pour les études de performances et de correction des simulations et des applications liées au calcul intensif. De nombreux frameworks ont été conçus pour simuler de grandes infrastructures informatiques distribuées et les applications qui y sont exécutées. Au niveau des noeuds, certains outils ont également été proposés pour simuler des applications parallèles basées sur des tâches. Cependant, une capacité critique manquante à ces travaux est la capacité à prendre en compte les effets d’accès non uniforme à la mémoire (NUMA, Non-Uniform Memory Access), même si pratiquement toutes les plateformes HPC (High Performance Computing, i.e. calcul haute performance) présentent aujourd’hui de tels effets. Nous modélisons différentes architectures à mémoire partagée en effectuant nos propres mesures pour en obtenir les caractéristiques. Nous présentons donc dans cette thèse un nouveau simulateur d’applications parallèles à base de tâches dépendantes, qui permet d’expérimenter plusieurs modèles de localité des données. Celui-ci s’appuie sur l’enregistrement d’une trace de l’exécution séquentielle de l’application cible, en utilisant l’interface standard de trace pour OpenMP, OMPT (OpenMP Trace). Nous introduisons également trois modèles de performances dont deux sont sensibles à la localité : un premier modèle qui ne prend en compte que les temps d’exécution des tâches, un modèle léger qui utilise des informations de topologie pour pondérer les transferts de données, et enfin un modèle plus complexe qui prend en compte le stockage de données dans le LLC (Last Level Cache, i.e. cache de dernier niveau, en général le L3). Nous validons nos modèles sur des cas tests d’algèbre linéaire dense et montrons qu’en moyenne, notre simulateur prédit de manière reproductible et rapide le temps d’exécution avec une erreur relative réduite et permet l’expérimentation et l’étude de diverses heuristiques d’ordonnancement.

Les méthodes numériques d’ordre élevé se sont avérées être un outil essentiel pour améliorer la précision des simulations concernant des écoulements turbulents par la résolution des lois de conservation. Ces écoulements se trouvent dans une grande variété d’applications industrielles et leur prédiction et modélisation est cruciale pour améliorer l’efficacité des procès. Cette thèse met en oeuvre et analyse différents types de schémas de discrétisation spatiale d’ordre élevé pour des maillages non structurés afin d’évaluer et de quantifier leur précision dans les simulations d’écoulements turbulents. En particulier, les méthodes de volumes finis (FVM) d’ordre élevé basées sur les opérateurs de déconvolution des moindres carrés et entièrement contraints sont considérées. De plus, leur précision est évaluée par une analyse analytique et pour des cas linéaires et non linéaires. Une attention spéciale est portée à la comparaison des FVM de second ordre et d’ordre élevé, montrant que la première peut surpasser la seconde en termes de précision et de performance de calcul dans des configurations sous-résolues. Les méthodes d’éléments spectraux (SEM) d’ordre élevé, y compris Spectral Difference (SD) et Flux Reconstruction (FR), sont comparées dans différentes configurations linéaires et non linéaires. De plus, un solveur SD basé sur GPU est développé et ses performances par rapport `a d’autres solveurs basés sur CPU seront discutées, montrant ainsi que le solveur développé basé sur GPU surpasse d’autres solveurs basés sur CPU en termes de performance économique et énergétique. La précision et le comportement des SEM avec de l’aliasing sont évalués dans des cas de test linéaires à l’aide d’outils analytiques. L’utilisation de grilles avec des cellules d’ordre élevé, qui permettent de mieux d’écrire les surfaces d’intérêt des simulations, en combinaison avec le SEM est également analysée. Cette dernière analyse démontre qu’un traitement particulier doit être implémenté pour assurer une précision numérique appropriée lors de l’utilisation de mailles avec ces éléments. Ce document présente également le développement et l’analyse de la méthode Spectral Difference Raviart-Thomas (SDRT) pour les éléments bidimensionnels et tridimensionnels de type produit tensoriel et simplex. Cette méthode est équivalente à la formulation SD pour les éléments de produit tensoriel et peut être considérée comme une extension naturelle de la formulation SD pour les éléments de type simplex. En outre, une nouvelle famille de méthodes FR, équivalente à la méthode SDRT dans certaines circonstances, est décrite. Tous ces développements ont été implémentés dans le solveur open-source PyFR et sont compatibles avec les architectures CPU et GPU. Dans le contexte des simulations d’ordre élevé d’écoulements turbulents trouvés dans les cas d’interaction rotor-stator, une méthode de maillage glissant (qu’implique des grilles non-conformes et le mouvement des maillages) spécifiquement adaptée aux simulations massivement parallèles est implémenté dans un solveur basé sur CPU. La méthode développée est compatible avec FVM et SEM de second ordre et d’ordre élevé. D’autre part, le mouvement de la grille, nécessaire pour simuler les cas d’essai rotor-stator `a cause du mouvement relatif de chaque zone du domaine, est traité à l’aide de la formulation Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE). L’analyse de cette formulation montre son influence importante sur la précision numérique et la stabilité des simulations numériques avec du mouvement de maillage. High-order numerical methods have proven to be an essential tool to improve the accuracy of simulations involving turbulent flows through the solution of conservation laws. Such flows appear in a wide variety of industrial applications and its correct prediction is crucial to reduce the power consumption and improve the efficiency of these processes. The present study implements and analyzes different types of high-order spatial discretization schemes for unstructured grids to assess and quantify their accuracy in simulations of turbulent flows. In particular, high-order Finite Volume methods (FVM) based on least squares and fully constrained deconvolution operators are considered and their accuracy is evaluated in a variety of linear and non-linear test cases and throughanalytical analysis. Special emphasis is placed on the comparison of formally second-order and high-order FVM, showing that the former can over-perform the latter in terms of accuracy and computational performance in under-resolved configurations. High-order Spectral Element methods (SEM), including Spectral Difference (SD) and Flux Reconstruction (FR), are compared in different linear and non-linear configurations. Furthermore, a SD GPU-based solver (based on the open-source PyFR solver) is developed and its performance with respect to other state of the art CPU-based solvers will be discussed, showing that the developed GPU-based solver outperforms other state of the art CPU-based solvers in terms of performance-per-euro and performance-per-watt. The accuracy and behavior of SEM under aliasing are assessed in linear test cases using analytical tools. The use of grids with high-order cells, which allow to better describe the surfaces of interests of a given simulation, in combination with SEM is also analyzed. The latter analysis demonstrates that special care must be taken to ensure appropriate numerical accuracy when utilizing meshes with such elements. This document also presents the development and the analysis of the Spectral Difference Raviart-Thomas (SDRT) method for two and three-dimensional tensor product and simplex elements. This method is equivalent to the SD formulation for tensor product elements and it can be considered as a natural extension of the SD formulation for simplex elements. Additionally, a new family of FR methods, which is equivalent to the SDRT method under certain circumstances, is described. All these developments were implemented in the open-source PyFR solver and are compatible with CPU and GPU architectures. In the context of high-order simulations of turbulent flows found in rotor-stator interaction test cases, a sliding mesh method (which involves non-conformal grids and mesh motion) specifically tailored for massivelyparallel simulations is implemented within a CPU-based solver. The developed method is compatible with second-order and high-order FVM and SEM. Grid movement, needed to simulate rotor-stator test cases due to the relative movement of each domain zone, is treated using the Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation. The analysis of such formulation depicts its important influence on the numerical accuracy and stability of numerical simulations with mesh motion. Moreover, specific non-conformal discretization methodscompatible with second-order and high-order FVM and SEM are developed and their accuracy is assessed on different non-linear test cases. The parallel scalability of the method is assessed with up to 11000 cores, proving appropriate computational efficiency. The accuracy of the implementation is assessed through a set of linear and non-linear test cases. Preliminary results of the turbulent flow around a DGEN 380 fan stage in an under-resolved configuration are shown and compared to available experimental data.

In this project, we developed tools for the reconstruction of subsurface media for seismic imaging and reservoir characterization in an industrial context. For that purpose, we used the Full Waveform Inversion (FWI) method. It is a reconstruction technique using data taken from seismic disturbances and whose behavior reflects the properties of the environment in which they propagate. In the framework of this thesis, we consider acoustic waves which are simulated thanks to Discontinuous Galerkin methods. These methods offer a very flexible discretization in space allowing to approach complex models and geometries. Discontinuous Galerkin methods are characterized by the use of fluxes in between each cell. Those fluxes contribute to have low communication costs which are highly recommended for High Performance Computing. Here, the wave equation is solved in time domain to overcome the memory limitations encountered in frequency domain for the reconstruction of large-scale 3D industrial media.To reconstruct quantitatively the physical model under study, we wrote the inverse problem as a minimization problem solved by adjoint state method. This method makes it possible to obtain the gradient of the cost function with respect to the physical parameters for the cost of two simulations; the direct problem and the backward problem also called adjoint problem.The adjoint state will be the solution of the discretized continuous adjoint problem ("Optimize Then Discretize"). This choice is justified by a 1D comparison with the strategy which consists in "Discretize then Optimize" completed by an algebraic study in superior dimension. The gradient thus calculated, is a key in the optimization procedure developed and integrated in the industrial environment provided by the industrial partner, Total.The propagator is a keystone in solving the inverse problem. Indeed, it is repeated successively and represents the majority of the computation time of the optimization process. It is therefore important to control the discretization by the Discontinuous Galerkin method as well as possible. In particular, in this thesis, we have considered the idea of using different polynomial bases of approximation (Legendre or Bernstein-Bézier) as well as the choice of the parameterization, which can either be constant per element or variable thanks to the use of the Weight Adjusted Discontinuous Galerkin (WADG) method. This last strategy offers the opportunity to enlarge the mesh cells without losing information on the model and thus allows a more advanced use of the hp-adaptivity that we propose to fully exploit thanks to an adaptive mesh that is adjusted to the model meant to evolve with the iterations of the inverse problem.; Dans ce projet, nous avons développé des outils de reconstruction du sous-sol pour l’imagerie sismique ainsi que la caractérisation de réservoirs dans un contexte industriel. Pour ce faire, nous utilisons la méthode d’inversion par forme d’ondes complète (Full Waveform Inversion, FWI). Cette reconstruction emploie les données issues de perturbations sismiques qui génèrent des ondes dont le comportement est influencé par le milieu dans lequel elles se propagent. Dans le cadre de cette thèse, on considère des ondes acoustiques dont la simulation est mise en œuvre par des méthodes de Galerkine Discontinues. Ces dernières reposent sur une discrétisation en espace très flexible permettant d’approcher des modèles et des géométries complexes. Elles sont aussi parfaitement adaptées à une mise en œuvre dans un environnement de Calcul Haute-Performance. En effet cette technique permet une forte scalabilité grâce au faible coût des communications induites par le calcul des flux caractéristiques des éléments finis discontinus. Ici, l’équation d’onde est résolue en domaine temporel afin d’outrepasser les limitations en mémoire rencontrées en domaine fréquentiel pour la reconstruction de milieux industriels 3D de grandes échelles.Pour reconstruire de manière quantitative le modèle physique étudié, nous avons formulé le problème inverse comme un problème de minimisation résolu par la méthode de l’état adjoint. Cette méthode permet d’obtenir le gradient de la fonction coût par rapport aux paramètres physiques au prix de deux simulations ; celle du problème direct et celle du problème rétro-propagé aussi appelé problème adjoint. L’état adjoint est solution du problème adjoint continu discrétisé (“Optimiser Puis Discrétiser”). Ce choix est justifié par une comparaison 1D avec la stratégie qui consiste à "Discrétiser puis Optimiser" complété par une étude algébrique en dimension supérieure. Le gradient ainsi calculé s’inclut dans une procédure d’optimisation développée et intégrée au code industriel fourni par le partenaire industriel, Total.Le propagateur joue un rôle central dans la résolution du problème inverse. En effet, cette dernière met en jeu une méthode itérative dont chaque itération implique des résolutions successives du problème direct. Il est alors important de tirer parti au mieux de la discrétisation de Galerkine Discontinue. Dans cette thèse, nous avons notamment étudié le choix de la base polynomiale d’approximation (Legendre ou Bernstein-Bézier) ainsi que le choix de la paramétrisation qui peut être constante par élément ou variable grâce à l’utilisation de la méthode de Galerkine Discontinue à Pondération Ajustée (Weight Adjusted Discontinuous Galerkin, WADG). Cette dernière stratégie offre l’occasion d’élargir les cellules du maillage sans perdre d’information sur le modèle et permet donc une utilisation plus poussée de la hp-adaptivité qu’on proposera d’exploiter pleinement grâce à un maillage adaptatif s’ajustant au modèle qui évolue avec les itérations du problème inverse.

Floating-point numbers represent only a subset of real numbers. As such, floating-point arithmetic introduces approximations that can compound and have a significant impact on numerical simulations.We introduce a new way to estimate and localize the sources of numerical error in an application and provide a reference implementation, the Shaman library.Our method uses a dedicated arithmetic over a type that encapsulates both the result the user would have had with the original computation and an approximation of its numerical error. We thus can measure the number of significant digits of any result or intermediate result in a simulation.We show that this approach, while simple, gives results competitive with state-of-the-art methods. It has a smaller overhead and is compatible with parallelism which makes it suitable for the study of large scale applications., Les nombres à virgule flottante ne représentent qu'un sous-ensemble des nombres réels. De ce fait, l'arithmétique à virgule flottante introduit des approximations qui sont susceptibles de se cumuler et d'avoir un impact significatif sur les simulations numériques.Nous introduisons une nouvelle façon d'estimer et de localiser les sources d'erreur numérique dans une application et fournissons une implémentation de référence, la bibliothèque Shaman. Notre méthode utilise une arithmétique dédiée sur un type qui encapsule à la fois le résultat des calculs (identique à la version non instrumentée du code) et une approximation de son erreur numérique.Nous pouvons ainsi mesurer le nombre de chiffres significatifs de tout résultat ou résultat intermédiaire dans une simulation. Nous montrons que notre approche, bien que simple, donne des résultats compétitifs avec l'état de l'art. Qui plus est, elle a un surcoût en temps de calcul moins important et est compatible avec le parallélisme, ce qui la rend appropriée pour l'étude de larges applications.

Floating-point numbers represent only a subset of real numbers. As such, floating-point arithmetic introduces approximations that can compound and have a significant impact on numerical simulations.We introduce a new way to estimate and localize the sources of numerical error in an application and provide a reference implementation, the Shaman library.Our method uses a dedicated arithmetic over a type that encapsulates both the result the user would have had with the original computation and an approximation of its numerical error. We thus can measure the number of significant digits of any result or intermediate result in a simulation.We show that this approach, while simple, gives results competitive with state-of-the-art methods. It has a smaller overhead and is compatible with parallelism which makes it suitable for the study of large scale applications.; Les nombres à virgule flottante ne représentent qu'un sous-ensemble des nombres réels. De ce fait, l'arithmétique à virgule flottante introduit des approximations qui sont susceptibles de se cumuler et d'avoir un impact significatif sur les simulations numériques.Nous introduisons une nouvelle façon d'estimer et de localiser les sources d'erreur numérique dans une application et fournissons une implémentation de référence, la bibliothèque Shaman. Notre méthode utilise une arithmétique dédiée sur un type qui encapsule à la fois le résultat des calculs (identique à la version non instrumentée du code) et une approximation de son erreur numérique.Nous pouvons ainsi mesurer le nombre de chiffres significatifs de tout résultat ou résultat intermédiaire dans une simulation. Nous montrons que notre approche, bien que simple, donne des résultats compétitifs avec l'état de l'art. Qui plus est, elle a un surcoût en temps de calcul moins important et est compatible avec le parallélisme, ce qui la rend appropriée pour l'étude de larges applications.

Memory systems in High-Performance Computing (HPC) systems have undergone major changes in recent years. Beside the main memory, the storage and multiple levels of caches, the servers come with non-uniform memory access (NUMA) and may contain different kinds of memory. For instance, high bandwidth memory (HBM) embedded on the processor package and non-volatile memory (NVDIMM) have been introduced into the hierarchy. These changes are necessary to bring the data closer and closer to processing and therefore have better performance. However, they require developers to adapt their applications to work properly on different heterogeneous memory systems, causing software development to become much more complex. In practice, the simple fact of deciding to allocate a data buffer on the appropriate memory in a heterogeneous system becomes difficult and critical to application performance.This thesis has been carried out at Inria Bordeaux - Sud-Ouest and LaBRI. After a presentation of the state of the art of memory architectures, we have characterised the memories through simple attributes. We have provided an interface that the hwloc library exposes to applications to understand the memory topology and allocate buffers. Then, we proposed a strategy to help developers adapt their applications for the proper use of heterogeneous memory systems. As accessing different heterogeneous platforms is not always possible, we identify several ways to simulate the performance of heterogeneous memory and to emulate different memory topologies. Finally, we built a strategy that eases the sharing of platforms with heterogeneous and non-volatile memory between HPC tasks co-scheduled on the same nodes., Les systèmes de mémoire des plates-formes de calcul haute performance ont subi des changements majeurs ces dernières années. En plus de la mémoire principale, du stockage et de plusieurs niveaux de caches, les serveurs sont à accès non-uniforme (NUMA) et peuvent disposer de plusieurs types de mémoire. Par exemple, les mémoires à haut débit (HBM) embarquées dans le processeur ainsi que les mémoires non volatiles (NVDIMM) ont été introduites dans la hiérarchie. Ces changements sont nécessaires pour rapprocher les données du traitement et donc avoir de meilleures performances. Cependant, ils obligent les développeurs à adapter leurs applications pour fonctionner correctement sur ces différents systèmes hétérogènes, ce qui rend le développement beaucoup plus complexe. En pratique, le simple fait de décider d'allouer un tampon de données sur le bon type de mémoire dans ces systèmes hétérogènes est difficile et critique pour les performances de l'application.Cette thèse a été réalisée à Inria Bordeaux - Sud-Ouest et au LaBRI. Après avoir présenté l'état de l'art des architectures mémoire, nous avons caractérisés les différents types de mémoires à l'aide d'attributs simples. Nous avons fourni une interface que la bibliothèque hwloc expose aux applications pour comprendre l'organisation mémoire et allouer des tampons. Nous avons ensuite proposé une méthodologie pour que les développeurs puissent adapter leurs applications à l'utilisation appropriée de systèmes de mémoire hétérogènes. Comme l'accès à différents plates-formes hétérogènes n'est pas toujours possible, nous avons identifiés de nombreuses stratégies permettant la simulation des performances de mémoire hétérogène, et l'émulation de topologie de la mémoire différentes. Enfin, nous avons conçu une stratégie visant à faciliter le partage des plates-formes à mémoire non-volatile et hétérogènes entre des tâches HPC co-exécutées sur les mêmes serveurs.

We present in this thesis our work on the control and optimization of high field magnets. The physics involved in the operation of the magnet are presented, and their discretization is detailed. It consists of a non-linear thermoelectric problem, a magnetostatic problem and a linear elasticity problem. The Hybrid Discontinuous Galerkin (HDG) method is used in order to better approximate the fields of interests, such as the current density, the magnetic field or the stress. We developed and implemented the Integral Boundary Condition (IBC) to be able to impose the current intensity directly instead of using the difference of potential. To solve our problem in real time, we used the Reduce Basis method (RB), combined with the Empirical Interpolation Method (EIM), its discrete version, the Simultaneous EIM and RB method and the Empirical Quadrature Method (EQM). Finally, we applied our methods to two applications of interest for the LNCMI, the identification of cooling parameters based on experimental data, and the optimization of the cuttings of the magnets to improve its homogeneity.; Nous présentons dans cette thèse notre travail sur le contrôle et l’optimisation d’aimants à hauts champs. Les physiques impliquées sont présentées et leur discrétisation est détaillée. Elles consistent en un problème thermoelectrique non linéaire, un problème magnétostatique et un problème d’élasticité linéaire. La méthode de Galerkin Discontinu Hybrid (HDG) est utilisée pour approcher au mieux les champs d’intérêt, tels que la densité de courant, le champ magnétique ou le tenseur des contraintes. Nous avons développé et implémenté les Conditions Intégrales aux Bords (IBC) pour pouvoir imposer l’intensité de courant directement au lieu d’utiliser la différence de potentiel. Pour résoudre notre problème en temps réel, nous avons utilisé la méthode des Bases Réduites (RB), combinée avec la Méthode d’Interpolation Empirique (EIM), sa version discrète, la méthode Simultanée EIM et RB (SER) et la Méthode de Quadrature Empirique (EQM). Finalement, nous avons appliqué ces méthodes à deux applications d’intérêt pour le LNCMI, l’identification des paramètres de refroidissement basé sur des données expérimentales, et l’optimisation des découpes de l’aimant pour améliorer son homogénéité.

We present in this thesis our work on the control and optimization of high field magnets. The physics involved in the operation of the magnet are presented, and their discretization is detailed. It consists of a non-linear thermoelectric problem, a magnetostatic problem and a linear elasticity problem. The Hybrid Discontinuous Galerkin (HDG) method is used in order to better approximate the fields of interests, such as the current density, the magnetic field or the stress. We developed and implemented the Integral Boundary Condition (IBC) to be able to impose the current intensity directly instead of using the difference of potential. To solve our problem in real time, we used the Reduce Basis method (RB), combined with the Empirical Interpolation Method (EIM), its discrete version, the Simultaneous EIM and RB method and the Empirical Quadrature Method (EQM). Finally, we applied our methods to two applications of interest for the LNCMI, the identification of cooling parameters based on experimental data, and the optimization of the cuttings of the magnets to improve its homogeneity.; Nous présentons dans cette thèse notre travail sur le contrôle et l’optimisation d’aimants à hauts champs. Les physiques impliquées sont présentées et leur discrétisation est détaillée. Elles consistent en un problème thermoelectrique non linéaire, un problème magnétostatique et un problème d’élasticité linéaire. La méthode de Galerkin Discontinu Hybrid (HDG) est utilisée pour approcher au mieux les champs d’intérêt, tels que la densité de courant, le champ magnétique ou le tenseur des contraintes. Nous avons développé et implémenté les Conditions Intégrales aux Bords (IBC) pour pouvoir imposer l’intensité de courant directement au lieu d’utiliser la différence de potentiel. Pour résoudre notre problème en temps réel, nous avons utilisé la méthode des Bases Réduites (RB), combinée avec la Méthode d’Interpolation Empirique (EIM), sa version discrète, la méthode Simultanée EIM et RB (SER) et la Méthode de Quadrature Empirique (EQM). Finalement, nous avons appliqué ces méthodes à deux applications d’intérêt pour le LNCMI, l’identification des paramètres de refroidissement basé sur des données expérimentales, et l’optimisation des découpes de l’aimant pour améliorer son homogénéité.

To run an abstract algorithm on a quantum computer, the algorithm must be compiled into a sequence of low-level instructions that can be executed by the processor. The compilation step is crucial because it determines the quantity of resources necessary for the execution of an algorithm. Therefore, the compilation stage must be optimized. In this thesis, we are interested in a brick of compilation: the synthesis of quantum circuits from an abstract specification of an operator.First, we study the case where the unitary matrix of a quantum operator is given to us and we explore the minimization of both quantum resources and classical resources. Even if the simultaneous optimization of these two types of resources seems difficult, we propose better compromises improving the literature.Secondly, we are interested in the class of so-called reversible linear operators. This time we are exclusively interested in the optimization of quantum resources and we improve the state of the art in various cases of quantum metrics (circuit size, circuit depth) and processors (NISQ, fully-connected processors).; Pour exécuter un algorithme abstrait sur un ordinateur quantique il faut compiler l'algorithme en une séquence d'instructions bas niveau exécutables par le processeur. L'étape de compilation est cruciale car elle détermine la quantité de ressources nécessaire pour l'exécution d'un algorithme ; par conséquent elle se doit d'être optimisée. Dans cette thèse nous nous intéressons à une brique de la compilation~: la synthèse de circuits quantiques à partir d'une spécification abstraite d'un opérateur. Dans un premier temps nous étudions le cas où la matrice unitaire d'un opérateur quantique nous est donnée et nous explorons la minimisation des ressources quantiques et la minimisation des ressources classiques. Même si l'optimisation simultanée de ces deux types de ressources semble difficile, nous proposons de meilleurs compromis améliorant la littérature.Dans un second temps nous nous intéressons à la classe des opérateurs dits linéaires réversibles. Nous nous intéressons cette fois-ci exclusivement à l'optimisation des ressources quantiques et nous améliorons l'état de l'art dans diverses cas de métriques (taille et profondeur du circuit) et de processeurs quantiques (processeurs NISQ, ou à connectivité complète).

To run an abstract algorithm on a quantum computer, the algorithm must be compiled into a sequence of low-level instructions that can be executed by the processor. The compilation step is crucial because it determines the quantity of resources necessary for the execution of an algorithm. Therefore, the compilation stage must be optimized. In this thesis, we are interested in a brick of compilation: the synthesis of quantum circuits from an abstract specification of an operator.First, we study the case where the unitary matrix of a quantum operator is given to us and we explore the minimization of both quantum resources and classical resources. Even if the simultaneous optimization of these two types of resources seems difficult, we propose better compromises improving the literature.Secondly, we are interested in the class of so-called reversible linear operators. This time we are exclusively interested in the optimization of quantum resources and we improve the state of the art in various cases of quantum metrics (circuit size, circuit depth) and processors (NISQ, fully-connected processors)., Pour exécuter un algorithme abstrait sur un ordinateur quantique il faut compiler l'algorithme en une séquence d'instructions bas niveau exécutables par le processeur. L'étape de compilation est cruciale car elle détermine la quantité de ressources nécessaire pour l'exécution d'un algorithme ; par conséquent elle se doit d'être optimisée. Dans cette thèse nous nous intéressons à une brique de la compilation~: la synthèse de circuits quantiques à partir d'une spécification abstraite d'un opérateur. Dans un premier temps nous étudions le cas où la matrice unitaire d'un opérateur quantique nous est donnée et nous explorons la minimisation des ressources quantiques et la minimisation des ressources classiques. Même si l'optimisation simultanée de ces deux types de ressources semble difficile, nous proposons de meilleurs compromis améliorant la littérature.Dans un second temps nous nous intéressons à la classe des opérateurs dits linéaires réversibles. Nous nous intéressons cette fois-ci exclusivement à l'optimisation des ressources quantiques et nous améliorons l'état de l'art dans diverses cas de métriques (taille et profondeur du circuit) et de processeurs quantiques (processeurs NISQ, ou à connectivité complète).

Numerical simulations are complex programs that allow scientists to solve, simulate and model complex phenomena. High Performance Computing (HPC) is the domain in which these complex and heavy computations are performed on large-scale computers, also called supercomputers.Nowadays, most scientific fields need supercomputers to undertake their research. It is the case of cosmology, physics, biology or chemistry. Recently, we observe a convergence between Big Data/Machine Learning and HPC. Applications coming from these emerging fields (for example, using Deep Learning framework) are becoming highly compute-intensive. Hence, HPC facilities have emerged as an appropriate solution to run such applications. From the large variety of existing applications has risen a necessity for all supercomputers: they mustbe generic and compatible with all kinds of applications. Actually, computing nodes also have a wide range of variety, going from CPU to GPU with specific nodes designed to perform dedicated computations. Each category of node is designed to perform very fast operations of a given type (for example vector or matrix computation).Supercomputers are used in a competitive environment. Indeed, multiple users simultaneously connect and request a set of computing resources to run their applications. This competition for resources is managed by the machine itself via a specific program called scheduler. This program reviews, assigns andmaps the different user requests. Each user asks for (that is, pay for the use of) access to the resources ofthe supercomputer in order to run his application. The user is granted access to some resources for a limited amount of time. This means that the users need to estimate how many compute nodes they want to request and for how long, which is often difficult to decide.In this thesis, we provide solutions and strategies to tackle these issues. We propose mathematical models, scheduling algorithms, and resource partitioning strategies in order to optimize high-throughput applications running on supercomputers. In this work, we focus on two types of applications in the context of the convergence HPC/Big Data: data-intensive and irregular (orstochastic) applications.Data-intensive applications represent typical HPC frameworks. These applications are made up oftwo main components. The first one is called simulation, a very compute-intensive code that generates a tremendous amount of data by simulating a physical or biological phenomenon. The second component is called analytics, during which sub-routines post-process the simulation output to extract,generate and save the final result of the application. We propose to optimize these applications by designing automatic resource partitioning and scheduling strategies for both of its components.To do so, we use the well-known in situ paradigm that consists in scheduling both components together in order to reduce the huge cost of saving all simulation data on disks. We propose automatic resource partitioning models and scheduling heuristics to improve overall performance of in situ applications.Stochastic applications are applications for which the execution time depends on its input, while inusual data-intensive applications the makespan of simulation and analytics are not affected by such parameters. Stochastic jobs originate from Big Data or Machine Learning workloads, whose performanceis highly dependent on the characteristics of input data. These applications have recently appeared onHPC platforms. However, the uncertainty of their execution time remains a strong limitation when using supercomputers. Indeed, the user needs to estimate how long his job will have to be executed by the machine, and enters this estimation as his first reservation value. But if the job does not complete successfully within this first reservation, the user will have to resubmit the job, this time requiring a longer reservation., Le calcul haute performance est un domaine scientifique dans lequel de très complexes et intensifs calculs sont réalisés sur des infrastructures de calcul à très large échelle appelées supercalculateurs. Leur puissance calculatoire phénoménale permet aux supercalculateurs de générer un flot de données gigantesque qu'il est aujourd'hui difficile d'appréhender, que ce soit d'un point de vue du stockage en mémoire que de l'extraction des résultats les plus importants pour les applications.Nous assistons depuis quelques années à une convergence entre le calcul haute performance et des domaines tels que le BigData ou l'intelligence artificielle qui voient leurs besoins en terme de capacité de calcul exploser. Dans le cadre de cette convergence, une grande diversité d'applications doit être traitée par les ordonnanceurs des supercalculateurs, provenant d'utilisateurs de différents horizons pour qui il n'est pas toujours aisé de comprendre le fonctionnement de ces infrastructures pour le calcul distribué.Dans cette thèse, nous exposons des solutions d'ordonnancement et de partitionnement de ressources pour résoudre ces problématiques. Pour ce faire, nous proposons une approche basée sur des modèles mathématiques qui permet d'obtenir des solutions avec de fortes garanties théoriques de leu performance. Dans ce manuscrit, nous nous focalisons sur deux catégories d'applications qui s'inscrivent en droite ligne avec la convergence entre le calcul haute performance et le BigData:les applications intensives en données et les applications à temps d'exécution stochastique.Les applications intensives en données représentent les applications typiques du domaine du calcul haute performance. Dans cette thèse, nous proposons d'optimiser cette catégorie d'applications exécutées sur des supercalculateurs en exposant des méthodes automatiques de partitionnement de ressources ainsi que des algorithmes d'ordonnancement pour les différentes phases de ces applications. Pour ce faire, nous utilisons le paradigme in situ, devenu à ce jour une référence pour ces applications. De nombreux travaux se sont attachés à proposer des solutions logicielles pour mettre en pratique ce paradigme pour les applications. Néanmoins, peu de travaux ont étudié comment efficacement partager les ressources de calcul les différentes phases des applications afin d'optimiser leur temps d'exécution.Les applications stochastiques constituent la deuxième catégorie d'applications que nous étudions dans cette thèse. Ces applications ont un profil différent de celles de la première partie de ce manuscrit. En effet, contrairement aux applications de simulation numérique, ces applications présentent de fortes variations de leur temps d'exécution en fonction des caractéristiques du jeu de données fourni en entrée. Cela est dû à leur structure interne composée d'une succession de fonctions, qui diffère des blocs de code massifs composant les applications intensive en données.L'incertitude autour de leur temps d'exécution est une contrainte très forte pour lancer ces applications sur les supercalculateurs. En effet, l'utilisateur doit réserver des ressources de calcul pour une durée qu'il ne connait pas. Dans cette thèse, nous proposons une approche novatrice pour aider les utilisateurs à déterminer une séquence de réservations optimale qui minimise l'espérance du coût total de toutes les réservations. Ces solutions sont par la suite étendues à un modèle d'applications avec points de sauvegarde à la fin de (certaines) réservations afin d'éviter de perdre le travail réalisé lors des réservations trop courtes. Enfin, nous proposons un profiling d'une application stochastique issue du domaine des neurosciences afin de mieux comprendre les propriétés de sa stochasticité. A travers cette étude, nous montrons qu'il est fondamental de bien connaître les caractéristiques des applications pour qui souhaite élaborer des stratégies efficaces du point de vue de l'utilisateur.

This thesis focuses on multi-objective optimization problems arising when running scientific applications on high performance computing platforms and streaming applications on embedded systems. These optimization problems are all proven to be NP-complete, hence our efforts are mainly on designing efficient heuristics for general cases, and proposing optimal solutions for special cases.Some scientific applications are commonly modeled as rooted trees. Due to the size of temporary data, processing such a tree may exceed the local memory capacity. A practical solution on a multiprocessor system is to partition the tree into many subtrees, and run each on a processor, which is equipped with a local memory. We studied how to partition the tree into several subtrees such that each subtree fits in local memory and the makespan is minimized, when communication costs between processors are accounted for.Then, a practical work of tree scheduling arising in parallel sparse matrix solver is examined. The objective is to minimize the factorization time by exhibiting good data locality and load balancing. The proportional mapping technique is a widely used approach to solve this resource-allocation problem. It achieves good data locality by assigning the same processors to large parts of the task tree. However, it may limit load balancing in some cases. Based on proportional mapping, a dynamic scheduling algorithm is proposed. It relaxes the data locality criterion to improve load balancing. The performance of our approach has been validated by extensive experiments with the parallel sparse matrix direct solver PaStiX.Streaming applications often appear in video and audio domains. They are characterized by a series of operations on streaming data, and a high throughput. Multi-Processor System on Chip (MPSoC) is a multi/many-core embedded system that integrates many specific cores through a high speed interconnect on a single die. Such systems are widely used for multimedia applications. Lots of MPSoCs are batteries-operated. Such a tight energy budget intrinsically calls for an efficient schedule to meet the intensive computation demands. Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) can save energy by decreasing the frequency and voltage at the price of increasing failure rates. Another technique to reduce the energy cost and meet the reliability target consists in running multiple copies of tasks. We first model applications as linear chains and study how to minimize the energy consumption under throughput and reliability constraints, using DVFS and duplication technique on MPSoC platforms.Then, in a following study, with the same optimization goal, we model streaming applications as series-parallel graphs, which are more complex than simple chains and more realistic. The target platform has a hierarchical communication system with two levels, which is common in embedded systems and high performance computing platforms. The reliability is guaranteed through either running tasks at the maximum speed or triplication of tasks. Several efficient heuristics are proposed to tackle this NP-complete optimization problem.; Cette thèse se concentre sur les problèmes d'optimisation multi-objectifs survenant lors de l'exécution d'applications scientifiques sur des plates-formes de calcul haute performance et des applications de streaming sur des systèmes embarqués. Ces problèmes d'optimisation se sont tous avérés NP-complets, c'est pourquoi nos efforts portent principalement sur la conception d'heuristiques efficaces pour des cas généraux et sur la proposition de solutions optimales pour des cas particuliers.Certaines applications scientifiques sont généralement modélisées comme des arbres enracinés. En raison de la taille des données temporaires, le traitement d'une telle arborescence peut dépasser la capacité de la mémoire locale. Une solution pratique sur un système multiprocesseur consiste à partitionner l'arborescence en plusieurs sous-arbres, et à exécuter chacun d'eux sur un processeur, qui est équipé d'une mémoire locale. Nous avons étudié comment partitionner l'arbre en plusieurs sous-arbres de sorte que chaque sous-arbre tienne dans la mémoire locale et que le makespan soit minimisé, lorsque les coûts de communication entre les processeurs sont pris en compte. Ensuite, un travail pratique d'ordonnancement d'arbres apparaissant dans un solveur de matrice clairsemée parallèle est examiné. L'objectif est de minimiser le temps de factorisation en présentant une bonne localisation des données et un équilibrage de charge. La technique de cartographie proportionnelle est une approche largement utilisée pour résoudre ce problème d'allocation des ressources. Il réalise une bonne localisation des données en affectant les mêmes processeurs à de grandes parties de l'arborescence des tâches. Cependant, cela peut limiter l'équilibrage de charge dans certains cas. Basé sur une cartographie proportionnelle, un algorithme d'ordonnancement dynamique est proposé. Il assouplit le critère de localisation des données pour améliorer l'équilibrage de charge. La performance de notre approche a été validée par de nombreuses expériences avec le solveur direct à matrice clairsemée parallèle PaStiX. Les applications de streaming apparaissent souvent dans les domaines vidéo et audio. Ils se caractérisent par une série d'opérations sur le streaming de données et un débit élevé. Le système multiprocesseur sur puce (MPSoC) est un système embarqué multi / plusieurs cœurs qui intègre de nombreux cœurs spécifiques via une interconnexion haute vitesse sur une seule puce. De tels systèmes sont largement utilisés pour les applications multimédias. De nombreux MPSoC fonctionnent sur piles. Un budget énergétique aussi serré nécessite intrinsèquement un calendrier efficace pour répondre aux demandes de calcul intensives. La mise à l'échelle dynamique de la tension et de la fréquence (DVFS) peut économiser de l'énergie en diminuant la fréquence et la tension au prix d'une augmentation des taux de défaillance. Une autre technique pour réduire le coût énergétique et atteindre l'objectif de fiabilité consiste à exécuter plusieurs copies de tâches. Nous modélisons d'abord les applications sous forme de chaînes linéaires et étudions comment minimiser la consommation d'énergie sous des contraintes de débit et de fiabilité, en utilisant DVFS et la technique de duplication sur les plates-formes MPSoC.Ensuite, dans une étude suivante, avec le même objectif d'optimisation, nous modélisons les applications de streaming sous forme de graphes série-parallèle, plus complexes que de simples chaînes et plus réalistes. La plate-forme cible dispose d'un système de communication hiérarchique à deux niveaux, ce qui est courant dans les systèmes embarqués et les plates-formes informatiques hautes performances. La fiabilité est garantie par l'exécution des tâches à la vitesse maximale ou par la triplication des tâches. Plusieurs heuristiques efficaces sont proposées pour résoudre ce problème d'optimisation NP-complet.

The objective of the present thesis work is to provide a better insight of the SWBLI unsteadiness due to the low-frequency streamwise oscillations of the separation bubble. To investigate this low frequency motion, DNS of the interaction between the shock wave and laminar boundary layer in complex geometries has been carried out. To perform those simulations, a modified numerical approach for curvilinear coordinate, implemented in an in-house parallel (MPI) Finite-Volume based DNS/LES solver (CHORUS) developed at LIMSI-CNRS is used.The first part of the thesis is the validation of the modified numerical approach. The influence of the mesh distortion has been analyzed from several test cases. The errors introduced by different types of deformation for the three test cases dealing with advection, turbulence, and shock wave were identifiable. The errors created by deformation of the mesh are found comparatively low if the control volumes stay close to a parallelepiped. In some cases, a significant rise has been seen due to the introduction of the non-orthogonality of the mesh.The second part is the validation of code in the framework of supersonic flows around a compression corner which is the core of the present dissertation. The validation studies have been carried out for the case of both inviscid and viscous flows over a compression ramp and the comparison with theoretical as well as numerical data has been presented. This comparison has shown that the results obtained with CHORUS code are in good agreement with the reference data. However, those studies are rather old and a lot of progress has been made in numerical methods for high-speed flow simulations. Unfortunately, there are only a few recent studies concerning simulations or experiments of fully laminar flow around ramps or other complex geometries that could have helped to assess Chorus’ ability to compute such flows. It has then been decided to create our own test case using an extensively tested supersonic flow solver, rhoCentralFoam of the OpenFOAM open-source numerical package. The results obtained provided the difference in the two numerical approaches and allowed us to consider Chorus as validated for DNS of compressible flows with shocks in complex geometries.Consequently, the last chapter deals with the physical analysis of the flow created by a laminar boundary layer developing around two geometries: a classical compression ramp and a compression-expansion ramp. As said earlier, the goal of those simulations was to determine whether the low-frequency oscillations of the recirculation zone can be related to the coherent structures in the incoming boundary layer. The results have demonstrated that, for both configurations, the separation shock IS NOT subjected to longitudinal oscillations. However, when analysing the spectra from probes in the vicinity of the separation point, it has appeared that all the frequency information is contained in those temporal signals. The conclusion of this study is that the absence of oscillations in the laminar case is not, as originally thought, due to the absence of coherent structures in the incoming boundary layer but rather to the fact that, in the laminar case, the separation bubble extent is too large. As a consequence, even if the perturbations that make the bubble oscillate in the turbulent case are present for laminar boundary layer, they are damped in such a way that they are not able to move the shock system and/or the recirculation zone. The next step to this study would be to reduce either the freestream Mach number or the ramp angle in order to have a smaller recirculation bubble and check if the motion appear in that case.; L'objectif du présent travail de thèse est de fournir une meilleure compréhension des phénomènes physiques responsables des oscillations longitudinales basse fréquence de la bulle de séparation observées dans les écoulements supersoniques.Afin d'étudier ce mouvement à basse fréquence, des calculs (DNS) de l'interaction entre l'onde de choc et la couche limite laminaire dans des géométries complexes ont été réalisés. Pour effectuer ces simulations, la prise en compte des coordonnées curvilignes a été implémentée dans le solveur CHORUS massivement parallèle (MPI), basé sur la méthode des volumes finis et développé au LIMSI-CNRS.La première partie manuscrit est la validation de l'approche numérique. L'influence de la distorsion du maillage a été analysée à partir de plusieurs cas-test. Les erreurs introduites par différents types de déformation pour les trois cas-test considérés (advection, turbulence et écoulement avec onde de choc) ont été analysées. Dans la mesure où les volumes de contrôle restent proches d'un parallélépipède, il a été montré que les erreurs dues à la déformation restaient faibles. Dans certains cas, il a été observé que l’introduction d’une non-orthogonalité du maillage entrainait une augmentation significative de ces erreurs. La deuxième partie concerne la validation du code dans le cadre de l’écoulement supersonique autour d'une rampe de compression, qui est le cœur de la présente étude. Les validations ont été réalisées dans le cas d'écoulements non visqueux et visqueux sur une rampe de compression et la comparaison avec des données théoriques et numériques a été présentée. Cette comparaison a montré que les résultats obtenus avec le code CHORUS sont en bon accord avec les données de référence. Cependant, ces études sont assez anciennes et de nombreux progrès ont été réalisés dans les méthodes numériques pour les simulations d’écoulements à grande vitesse. Malheureusement, il n'y a que peu d'études récentes concernant des simulations ou des expériences d'écoulement entièrement laminaire autour de rampes ou d'autres géométries complexes qui auraient pu aider à évaluer la capacité de Chorus à calculer de tels écoulements. Il a donc été décidé de créer notre propre cas-test à l'aide d'un solveur de flux supersonique largement testé, rhoCentralFoam d’OpenFOAM. Les résultats obtenus ont montrés un assez bon accord au vu des différences fondamentales entre les deux approches. Ceci nous a donc permis de considérer que le code Chorus était validé et pouvait, avec une grande confiance, être utilisé pour réaliser des DNS dans le cadre d’écoulement compressibles autour de géométries complexes.En conséquence, le dernier chapitre s’est attelé à l’analyse physique de l’écoulement crée par le développement d’une couche limite laminaire autour de deux géométries: une rampe de compression classique et une rampe de compression-détente. Le but de ces simulations était de déterminer si les oscillations basse-fréquence de la zone de recirculation pouvaient être reliées à la présence de structures cohérentes dans la couche limite incidente. Les résultats ont montré que, dans les deux configurations testées, AUCUNE oscillation n’est observée sur le choc de décollement ou sur la bulle de recirculation. L’analyse des spectres obtenus grâce à des sondes situées au voisinage du choc de décollement a néanmoins mis en évidence que toutes les fréquences associées aux oscillations étaient présentes dans ces signaux. La conclusion de cette étude est que l’absence des oscillations n’est pas, comme pensé initialement, due à l’absence de structures tourbillonnaires dans la couche limite incidente mais plutôt au fait que, dans le cas laminaire, la taille de la zone de recirculation est extrêmement importante. Ainsi, même si les perturbations responsables des oscillations dans le cas turbulent sont également présentes en régime laminaire, elles sont trop amorties pour pouvoir déplacer le choc de décollement et/ou la zone de recirculation.

The objective of the present thesis work is to provide a better insight of the SWBLI unsteadiness due to the low-frequency streamwise oscillations of the separation bubble. To investigate this low frequency motion, DNS of the interaction between the shock wave and laminar boundary layer in complex geometries has been carried out. To perform those simulations, a modified numerical approach for curvilinear coordinate, implemented in an in-house parallel (MPI) Finite-Volume based DNS/LES solver (CHORUS) developed at LIMSI-CNRS is used.The first part of the thesis is the validation of the modified numerical approach. The influence of the mesh distortion has been analyzed from several test cases. The errors introduced by different types of deformation for the three test cases dealing with advection, turbulence, and shock wave were identifiable. The errors created by deformation of the mesh are found comparatively low if the control volumes stay close to a parallelepiped. In some cases, a significant rise has been seen due to the introduction of the non-orthogonality of the mesh.The second part is the validation of code in the framework of supersonic flows around a compression corner which is the core of the present dissertation. The validation studies have been carried out for the case of both inviscid and viscous flows over a compression ramp and the comparison with theoretical as well as numerical data has been presented. This comparison has shown that the results obtained with CHORUS code are in good agreement with the reference data. However, those studies are rather old and a lot of progress has been made in numerical methods for high-speed flow simulations. Unfortunately, there are only a few recent studies concerning simulations or experiments of fully laminar flow around ramps or other complex geometries that could have helped to assess Chorus’ ability to compute such flows. It has then been decided to create our own test case using an extensively tested supersonic flow solver, rhoCentralFoam of the OpenFOAM open-source numerical package. The results obtained provided the difference in the two numerical approaches and allowed us to consider Chorus as validated for DNS of compressible flows with shocks in complex geometries.Consequently, the last chapter deals with the physical analysis of the flow created by a laminar boundary layer developing around two geometries: a classical compression ramp and a compression-expansion ramp. As said earlier, the goal of those simulations was to determine whether the low-frequency oscillations of the recirculation zone can be related to the coherent structures in the incoming boundary layer. The results have demonstrated that, for both configurations, the separation shock IS NOT subjected to longitudinal oscillations. However, when analysing the spectra from probes in the vicinity of the separation point, it has appeared that all the frequency information is contained in those temporal signals. The conclusion of this study is that the absence of oscillations in the laminar case is not, as originally thought, due to the absence of coherent structures in the incoming boundary layer but rather to the fact that, in the laminar case, the separation bubble extent is too large. As a consequence, even if the perturbations that make the bubble oscillate in the turbulent case are present for laminar boundary layer, they are damped in such a way that they are not able to move the shock system and/or the recirculation zone. The next step to this study would be to reduce either the freestream Mach number or the ramp angle in order to have a smaller recirculation bubble and check if the motion appear in that case.; L'objectif du présent travail de thèse est de fournir une meilleure compréhension des phénomènes physiques responsables des oscillations longitudinales basse fréquence de la bulle de séparation observées dans les écoulements supersoniques.Afin d'étudier ce mouvement à basse fréquence, des calculs (DNS) de l'interaction entre l'onde de choc et la couche limite laminaire dans des géométries complexes ont été réalisés. Pour effectuer ces simulations, la prise en compte des coordonnées curvilignes a été implémentée dans le solveur CHORUS massivement parallèle (MPI), basé sur la méthode des volumes finis et développé au LIMSI-CNRS.La première partie manuscrit est la validation de l'approche numérique. L'influence de la distorsion du maillage a été analysée à partir de plusieurs cas-test. Les erreurs introduites par différents types de déformation pour les trois cas-test considérés (advection, turbulence et écoulement avec onde de choc) ont été analysées. Dans la mesure où les volumes de contrôle restent proches d'un parallélépipède, il a été montré que les erreurs dues à la déformation restaient faibles. Dans certains cas, il a été observé que l’introduction d’une non-orthogonalité du maillage entrainait une augmentation significative de ces erreurs. La deuxième partie concerne la validation du code dans le cadre de l’écoulement supersonique autour d'une rampe de compression, qui est le cœur de la présente étude. Les validations ont été réalisées dans le cas d'écoulements non visqueux et visqueux sur une rampe de compression et la comparaison avec des données théoriques et numériques a été présentée. Cette comparaison a montré que les résultats obtenus avec le code CHORUS sont en bon accord avec les données de référence. Cependant, ces études sont assez anciennes et de nombreux progrès ont été réalisés dans les méthodes numériques pour les simulations d’écoulements à grande vitesse. Malheureusement, il n'y a que peu d'études récentes concernant des simulations ou des expériences d'écoulement entièrement laminaire autour de rampes ou d'autres géométries complexes qui auraient pu aider à évaluer la capacité de Chorus à calculer de tels écoulements. Il a donc été décidé de créer notre propre cas-test à l'aide d'un solveur de flux supersonique largement testé, rhoCentralFoam d’OpenFOAM. Les résultats obtenus ont montrés un assez bon accord au vu des différences fondamentales entre les deux approches. Ceci nous a donc permis de considérer que le code Chorus était validé et pouvait, avec une grande confiance, être utilisé pour réaliser des DNS dans le cadre d’écoulement compressibles autour de géométries complexes.En conséquence, le dernier chapitre s’est attelé à l’analyse physique de l’écoulement crée par le développement d’une couche limite laminaire autour de deux géométries: une rampe de compression classique et une rampe de compression-détente. Le but de ces simulations était de déterminer si les oscillations basse-fréquence de la zone de recirculation pouvaient être reliées à la présence de structures cohérentes dans la couche limite incidente. Les résultats ont montré que, dans les deux configurations testées, AUCUNE oscillation n’est observée sur le choc de décollement ou sur la bulle de recirculation. L’analyse des spectres obtenus grâce à des sondes situées au voisinage du choc de décollement a néanmoins mis en évidence que toutes les fréquences associées aux oscillations étaient présentes dans ces signaux. La conclusion de cette étude est que l’absence des oscillations n’est pas, comme pensé initialement, due à l’absence de structures tourbillonnaires dans la couche limite incidente mais plutôt au fait que, dans le cas laminaire, la taille de la zone de recirculation est extrêmement importante. Ainsi, même si les perturbations responsables des oscillations dans le cas turbulent sont également présentes en régime laminaire, elles sont trop amorties pour pouvoir déplacer le choc de décollement et/ou la zone de recirculation.

Mixture of Gaussians (MoG) and Compressive Sensing (CS) are two common algorithms in many image and audio processing systems. Their combination, CS-MoG, was recently used for mobile objects detecting through background subtraction. However, the implementations of CS-MoG presented in previous works do not take full advantage of the heterogeneous architectures evolution. This thesis proposes two contributions for the efficient implementation of CS-MoG on heterogeneous parallel CPU/GPU architectures. These technologies nowadays offer great programming flexibility, which allows optimizing performance as well as energy efficiency.Our first contribution consists in offering the best acceleration-precision compromise on CPU and GPU. The second is the proposition of a new adaptive approach for data partitioning, allowing to fully exploiting the CPUs-GPUs. Whatever their relative performance, this approach, called the Optimal Data Distribution Cursor (ODDC), aims to ensure automatic balancing of the computational load by estimating the optimal proportion of data that has to be affected to each processor, taking into account its computing capacity.This approach updates the partitioning online, which allows taking into account any influence of the irregularity of the processed images content. In terms of mobile objects, we mainly target vehicles whose detection represents some challenges, but in order to generalize our approach, we test also scenes containing other types of targets.Experimental results, on different platforms and datasets, show that the combination of our two contributions makes it possible to reach 98% of the maximal possible performance on these platforms. These results can also be beneficial for other algorithms where calculations are performed independently on small grains of data.; Le mélange de gaussiennes (MoG) et l'acquisition comprimée (CS) sont deux algorithmes utilisés dans de nombreuses applications de traitement d'image et du son. Leur combinaison, CS-MoG, a été récemment utilisée pour la soustraction de fond dans des applications de détection des objets mobiles. Néanmoins, les implémentations de CS-MoG présentées dans la littérature ne profitent pas pleinement de l'évolution des architectures hétérogènes. Ces travaux de thèse proposent deux contributions pour l'implémentation efficace de CS-MoG sur architectures parallèles hétérogènes CPU/GPU. Ces dernières offrent de nos jours une grande flexibilité de programmation permettant d’optimiser les performances ainsi que l’efficacité énergétique.Notre première contribution consiste à offrir le meilleur compromis accélération-précision sur CPU et GPU. La seconde est la proposition d'une nouvelle approche adaptative de partitionnement de données permettant d'exploiter pleinement l'ensemble des CPUs-GPUs. Quelles que soient leurs performances relatives, cette approche, appelée Curseur de Distribution Optimale de Données (ODDC), vise à assurer un équilibrage automatique de la charge de calcul en estimant la proportion optimale des données qui doit être affectée à chaque processeur, en prenant en compte sa capacité de calcul.Cette approche met à jour ce partitionnement en ligne ce qui permet de prendre en compte toute influence de l'irrégularité du contenu des images traitées. En termes d’objets mobiles, nous ciblons principalement les véhicules dont la détection représente un ensemble de défis, mais afin de généraliser notre approche, nous testons également des scènes contenant d’autres types de cibles.Les résultats expérimentaux, sur différentes plateformes et jeux de données, montrent que la combinaison de nos deux contributions permet d'atteindre 98% des performances maximales possibles sur ces plateformes. Ces résultats peuvent être aussi bénéfiques pour d'autres algorithmes où les calculs s'effectuent d'une manière indépendante sur des petits grains de données.

Mixture of Gaussians (MoG) and Compressive Sensing (CS) are two common algorithms in many image and audio processing systems. Their combination, CS-MoG, was recently used for mobile objects detecting through background subtraction. However, the implementations of CS-MoG presented in previous works do not take full advantage of the heterogeneous architectures evolution. This thesis proposes two contributions for the efficient implementation of CS-MoG on heterogeneous parallel CPU/GPU architectures. These technologies nowadays offer great programming flexibility, which allows optimizing performance as well as energy efficiency.Our first contribution consists in offering the best acceleration-precision compromise on CPU and GPU. The second is the proposition of a new adaptive approach for data partitioning, allowing to fully exploiting the CPUs-GPUs. Whatever their relative performance, this approach, called the Optimal Data Distribution Cursor (ODDC), aims to ensure automatic balancing of the computational load by estimating the optimal proportion of data that has to be affected to each processor, taking into account its computing capacity.This approach updates the partitioning online, which allows taking into account any influence of the irregularity of the processed images content. In terms of mobile objects, we mainly target vehicles whose detection represents some challenges, but in order to generalize our approach, we test also scenes containing other types of targets.Experimental results, on different platforms and datasets, show that the combination of our two contributions makes it possible to reach 98% of the maximal possible performance on these platforms. These results can also be beneficial for other algorithms where calculations are performed independently on small grains of data., Le mélange de gaussiennes (MoG) et l'acquisition comprimée (CS) sont deux algorithmes utilisés dans de nombreuses applications de traitement d'image et du son. Leur combinaison, CS-MoG, a été récemment utilisée pour la soustraction de fond dans des applications de détection des objets mobiles. Néanmoins, les implémentations de CS-MoG présentées dans la littérature ne profitent pas pleinement de l'évolution des architectures hétérogènes. Ces travaux de thèse proposent deux contributions pour l'implémentation efficace de CS-MoG sur architectures parallèles hétérogènes CPU/GPU. Ces dernières offrent de nos jours une grande flexibilité de programmation permettant d’optimiser les performances ainsi que l’efficacité énergétique.Notre première contribution consiste à offrir le meilleur compromis accélération-précision sur CPU et GPU. La seconde est la proposition d'une nouvelle approche adaptative de partitionnement de données permettant d'exploiter pleinement l'ensemble des CPUs-GPUs. Quelles que soient leurs performances relatives, cette approche, appelée Curseur de Distribution Optimale de Données (ODDC), vise à assurer un équilibrage automatique de la charge de calcul en estimant la proportion optimale des données qui doit être affectée à chaque processeur, en prenant en compte sa capacité de calcul.Cette approche met à jour ce partitionnement en ligne ce qui permet de prendre en compte toute influence de l'irrégularité du contenu des images traitées. En termes d’objets mobiles, nous ciblons principalement les véhicules dont la détection représente un ensemble de défis, mais afin de généraliser notre approche, nous testons également des scènes contenant d’autres types de cibles.Les résultats expérimentaux, sur différentes plateformes et jeux de données, montrent que la combinaison de nos deux contributions permet d'atteindre 98% des performances maximales possibles sur ces plateformes. Ces résultats peuvent être aussi bénéfiques pour d'autres algorithmes où les calculs s'effectuent d'une manière indépendante sur des petits grains de données.

Modern computer architectures are highly complex, requiring great programming effort to obtain all the performance the hardware is capable of delivering. Indeed, while developers know potential optimizations, the only feasible way to tell which of them is faster for some platform is to test it. Furthermore, the many differences between two computer platforms, in the number of cores, cache sizes, interconnect, processor and memory frequencies, etc, makes it very challenging to have the same code perform well over several systems. To extract the most performance, it is often necessary to fine-tune the code for each system. Consequently, developers adopt autotuning to achieve some degree of portable performance. This way, the potential optimizations can be specified once, and, after testing each possibility on a platform, obtain a high-performance version of the code for that particular platform. However, this technique requires tuning each application for each platform it targets. This is not only time consuming but the autotuning and the real execution of the application differ. Differences in the data may trigger different behaviour, or there may be different interactions between the threads in the autotuning and the actual execution. This can lead to suboptimal decisions if the autotuner chooses a version that is optimal for the training but not for the real execution of the application. We propose the use of autotuning for selecting versions of the code relevant for a range of platforms and, during the execution of the application, the runtime system identifies the best version to use using one of three policies we propose: Mean, Upper Confidence Bound, and Gradient Bandit. This way, training effort is decreased and it enables the use of the same set of versions with different platforms without sacrificing performance. We conclude that the proposed policies can identify the version to use without incurring substantial performance losses. Furthermore, when the user does not know enough details of the application to configure optimally the explore-then-commit policy usedy by other runtime systems, the more adaptable UCB policy can be used in its place.; Les architectures informatiques modernes sont très complexes, nécessitant un grand effort de programmation pour obtenir toute la performance que le matériel est capable de fournir. En effet, alors que les développeurs connaissent les optimisations potentielles, la seule façon possible de dire laquelle est le plus rapide pour une plate-forme est de le tester. En outre, les nombreuses différences entre deux plates-formes informatiques, dans le nombre de cœurs, les tailles de cache, l'interconnexion, les fréquences de processeur et de mémoire, etc, rendent très difficile la bonne exécution du même code sur plusieurs systèmes. Pour extraire le plus de performances, il est souvent nécessaire d'affiner le code pour chaque système. Par conséquent, les développeurs adoptent l'autotuning pour atteindre un certain degré de performance portable. De cette façon, les optimisations potentielles peuvent être spécifiées une seule fois et, après avoir testé chaque possibilité sur une plate-forme, obtenir une version haute performance du code pour cette plate-forme particulière. Toutefois, cette technique nécessite de régler chaque application pour chaque plate-forme quelle cible. Non seulement cela prend du temps, mais l'autotuning et l'exécution réelle de l'application diffèrent. Des différences dans les données peuvent déclencher un comportement différent, ou il peut y avoir différentes interactions entre les fils dans l'autotuning et l'exécution réelle. Cela peut conduire à des décisions sous-optimales si l'autotuner choisit une version qui est optimale pour la formation, mais pas pour l'exécution réelle de l'application. Nous proposons l'utilisation d'autotuning pour sélectionner les versions du code pertinentes pour une gamme de plates-formes et, lors de l'exécution de l'application, le système de temps d'exécution identifie la meilleure version à utiliser à l'aide de l'une des trois politiques que nous proposons: Mean, Upper Confidence Bound et Gradient Bandit. De cette façon, l'effort de formation est diminué et il permet l'utilisation du même ensemble de versions avec différentes plates-formes sans sacrifier les performances. Nous concluons que les politiques proposées peuvent identifier la version à utiliser sans subir de pertes de performance substantielles. De plus, lorsque l'utilisateur ne connaît pas suffisamment de détails de l'application pour configurer de manière optimale la politique d'exploration puis de validation utilisée par d'autres systèmes de temps d'exécution, la politique UCB plus adaptable peut être utilisée à sa place.

A long version is also available as a research report under the same name.; International audience; Balanced trees are pervasive and very often found in databases or other systems which are built around querying non-static data. In this paper, we show that trees implemented as a collection of pointers shows bad data locality, poor cache performance and suffer from a lack of parallelism opportunities. We propose an alternative implementation based on arrays. Both implementations appear to be equivalently efficient time-wise. This new layout exposes new parallelism opportunities which can be then exploited by an optimizing polyhedral compiler.

This thesis focuses on a major problem for the HPC community: resilience. Computing platforms are bigger and bigger in order to reach what we call exascale, i.e. a computing capacity of 10^18 FLOP/s but they suffer numerous failures. Reducing the execution time and handling the errors are two linked problems: for instance, replication (computing redudancy) decreases the number of critical failures but also decreases the number of available resources. In particular, this thesis focuses on several “checkpoint/restart” mechanisms.(saving the state of an application to restart from that save when a failure occurs): the first part investigates checkpointing on several levels, the use of additional resources to cope with system latency and checkpointing in generic task-graphs. The second part deals with optimal checkpointing strategies when coupled with replication (in linear task graphs, on heterogeneous platforms and with process duplication). The last part explores several scheduling problems linked to increasing disruptions in large-scale platforms.; Cette thèse se concentre sur un problème majeur dans le contexte du calcul haute performance : la résilience. Les machines de calcul étant de plus en plus grosses pour viser les 10^18 opérations de calcul par seconde (exascale), celles-ci sont sujettes à de nombreuses pannes. La réduction du temps de calcul et la gestion du nombre de fautes sont deux problématiques étroitement liées : par exemple la réplication (redondance de calcul) permet de subir moins d'erreurs mais induit uneune diminution du nombre de ressources disponibles. En particulier, cette thèse se concentre sur divers mécanismes de « checkpoint/restart » (sauvegarde de l'état d'une application pour repartir de celle-ci lors d'une panne): la première partie traite de checkpoints sur plusieurs niveaux, de l'utilisation de ressources supplémentaires pour palier la latence des systèmes, et de checkpoint dans des graphes de tâches quelconques. La deuxième partie traite de stratégies optimales de checkpoint quand elles sont couplées avec de la réplication (dans des chaines de tâches, sur des plates-formes hétérogènes et enfin avec de la duplication de processus). La dernière partie explore quelques problèmes d'ordonnancement liés aux perturbations croissantes dans les plates-formes à large échelle.

This thesis is focused on the two major problems in the high performance computing context: resilience and energyconsumption.To satisfy the computing power required by modern scientific research, the number of computing units insupercomputers increases dramatically in the past years. This leads to more frequent errors than expected. Obviously,failure handling is critical for highly parallel applications that use a large number of components for a significant amountof time. Otherwise, one may spend infinite time re-executing. At the other side, power management is necessary due toboth monetary and environmental constraints. Especially because resilience often calls for redundancy in time and/or inspace , which in turn consumes extra energy. In addition, technologies that reduce energy consumption often havenegative effects on performance and resilience.In this context, we re-design scheduling algorithms to investigate trade-offs between performance, resilience and energyconsumption. The first part is focused around task graph scheduling and fail-stop errors. Which task should becheckpointed (redundancy in time) in order to minimize the total execution time? The objective is to design optimalsolutions for special classes of task graphs, and to provide general-purpose heuristics for arbitrary ones. Then in thesecond part of the thesis, we consider periodically independent task sets, which is the context of real-time scheduling,and silent errors. We investigate the number of replicas (redundancy in space) that are needed, and the interplay betweendeadlines, energy minimization and reliability.; Cette thèse se concentre sur deux problèmes majeurs dans le contexte du calcul haute performance:la résilience et la consommation d'énergie.Le nombre d'unités de calcul dans les superordinateurs a considérablement augmenté ces dernièresannées, entraînant une augmentation de la fréquence des pannes. Le recours à des mécanismes detolérance aux pannes est maintenant critique pour les applications utilisant un grand nombre decomposants pendant une période de temps significative. Il est par ailleurs nécessaire de minimiserla consommation énergétique pour des raisons budgétaires et environnementales. Ceci est d'autantplus important que la tolérance aux pannes nécessite une redondance en temps ou en espace quiinduit un surcoût énergétique. Par ailleurs, certaines technologies qui réduisant la consommationd'énergie ont des effets négatifs sur les performances et la résilience.Nous concevons des algorithmes d'ordonnancement pour étudier les compromis entre performance,résilience et consommation d'énergie. Dans une première partie, nous nous concentrons surl'ordonnancement des graphes de tâches sujets à des pannes. La question est alors de décider quelletâche sauvegarder afin de minimiser le temps d'exécution. Nous concevons des solutions optimalespour des classes de graphes et fournissons des heuristiques pour le cas général. Nous considéronsdans une deuxième partie l'ordonnancement de tâches périodiques indépendantes sujettes à deserreurs silencieuses dans un contexte temps-réel. Nous étudions combien de réplicats sontnécessaires et l'interaction entre dates butoir, fiabilité, et minimisation d'énergie.

National audience; Intrinsically Disordered Proteins (IDPs) are involved in many biological processes. Their inherent plasticity facilitates very specialized tasks in cell regulation and signalling, and their malfunction is linked to severe pathologies. Understanding the functional roles of IDPs requires their structural characterization, which is extremely challenging, and needs a tight coupling of experimental and computational methods. In contrast to structured/globular proteins, IDPs cannot be represented by a single conformation, and their models must be based on ensembles of conformations representing a distribution of states that the protein adopts in solution. While purely random coil ensembles can be reliably constructed by available bioinformatics tools, these tools fail to reproduce the conformational equilibrium present in partially-structured regions.In this thesis, we propose several computational methods that, combined with experimental data, provide a better structural characterization of IDPs. These methods can be grouped in two main categories: methods to construct conformational ensemble models, and methods to simulate conformational transitions.Contributing to the first type of methods, we propose a new approach to generate realistic conformational ensembles that improves previously existing methods, being able to reproduce the partially-structured regions in IDPs. This method exploits structural information encoded in a database of three-residue fragments (tripeptides) extracted from high-resolution experimentally-solved protein structures. We have shown that conformational ensembles generated by our method reproduce accurately structural descriptors obtained from NMR and SAXS experiments for a benchmark set of nine IDPs. Also exploiting the tripeptide database, we have developed an algorithm to predict the propensity of some fragments inside IDPs to form secondary structure elements. This new method provides more accurate results than those of the most commonly-used predictors available on our benchmark set of well-characterized IDPs.Contributing to the second type of methods, we have developed an original approach to model the folding mechanism of secondary structural elements. The computation of conformational transitions is formulated as a discrete path search problem using the tripeptide database. To evaluate the approach, we have applied the strategy to two small synthetic polypeptides mimicking two common structural motifs in proteins. The folding mechanisms extracted are very similar to those obtained when using traditional, computationally expensive approaches. Finally, we have developed a more general method to compute transition paths between a (possibly large) set of conformations of an IDP. This method builds on a multi-tree variant of the TRRT algorithm, developed at LAAS-CNRS, and which provided good results for small and middle-sized biomolecules. In order to apply this method to IDPs, we have proposed a hybrid strategy for the parallelization of the algorithm, enabling an efficient e! xecution in computer clusters.In addition to the aforementioned methodological work, I have been actively involved in multidisciplinary work, together with biophysicists and biologists, where I have applied these methods to the investigation of important biological systems, in particular the huntingtin protein, the causative agent of Huntington’s disease.In conclusion, the work carried out during my PhD thesis has enabled a better understanding of the relationship between sequence and structural properties of IDPs, paving the way to novel applications. For example, this deeper understanding of sequence-structure relationships will enable us to anticipate structural perturbations exerted by sequence mutations, and subsequently, the rational design of IDPs with tailored properties for biotechnological applications.; Les protéines intrinsèquement désordonnées (IDPs, acronyme en anglais de "Intrinsically Disordered Proteins") sont des essentielles dans des nombreux processus biologiques. Leur plasticité inhérente facilite des tâches spécialisées, complémentaire à celles des protéines globulaires, dans la régulation et dans la signalisation cellulaire, et leur dysfonctionnement est lié à des pathologies sévères. Comprendre leur rôle fonctionnel exige de caractériser la structure des IDPs et des complexes qu'elles forment. Modéliser les IDPs est extrêmement difficile et exige un couplage étroit des méthodes expérimentales et informatiques. Contrairement aux protéines structurées/globulaires, les IDPs ne peuvent pas être représentées par une seule conformation, et leurs modèles doivent être basés sur des ensembles de conformations qui représentent une distribution des états que la protéine adopte en solution. Il existe de multiples outils bioinformatique! s qui permettent d'identifier à priori les éléments partiellement structurés au sein des IDPs. Cependant, les caractéristiques structurelles détectées par ces programmes dépendent fortement de la méthodologie utilisée, et les différentes méthodes produisent souvent des résultats contradictoires. Alors que des ensembles purement composés par "random coil" peuvent être construits de manière fiable, l'équilibre conformationnel présent dans les régions partiellement structurées est mal reproduit.Dans cette thèse, nous proposons plusieurs méthodes de calcul qui, combinées à des données expérimentales, permettent une meilleure caractérisation structurelle des IDPs. Ces méthodes peuvent être regroupées en deux grandes catégories : les méthodes de construction de modèles d'ensembles conformationnels et les méthodes de simulation des transitions conformationnelles.Contribuant au premier type de méthodes, nous présentons une nouvelle approche pour générer des ensembles conformationnels réalistes, qui améliore les approches existantes, et permet de reproduire les régions partiellement structurées des IDPs. Cette méthode exploite les informations structurelles codées dans une base de données de fragments de trois résidus (tripeptides) extraits de structures protéiques de haute résolution obtenues expérimentalement. Nous avons montré que les ensembles conformationnels générés par notre méthode reproduisent fidèlement les descripteurs structurels obtenus à partir d'expériences RMN et SAXS. En tant que composante nécessaire de l'algorithme de construction d'ensemble, nous avons développé un algorithme pour prédire la propension de certains fragments à l'intérieur des IDPs à former des éléments de structure secondaire. Cette nouvelle méthode, qui exploite également la base de données de tripeptides, fournit! des résultats plus précis que ceux des prédicteurs les plus couramment utilisés sur plusieurs IDPs bien caractérisées. Bien que le prédicteur structurel ait été principalement développé pour compléter notre méthode de modélisation d'ensembles, il peut également être très utile comme outil indépendant.Contribuant au deuxième type de méthodes, nous avons développé une approche originale pour modéliser le mécanisme de repliement des éléments structuraux secondaires. Le calcul des transitions conformationnelles menant à la formation des éléments structuraux est formulé comme un problème de recherche de chemin discret à l'aide de la base de données de tripeptides. Pour évaluer l'approche, nous avons appliqué la stratégie à deux petits polypeptides synthétiques imitant deux motifs structurels communs dans les protéines. Les mécanismes de repliement extraits sont très similaires à ceux obtenus en utilisant des approches traditionnelles et coûteuses en calcul. Enfin, nous avons mis au point une méthode plus générale pour calculer les chemins de transition entre un ensemble (éventuellement important) de conformations d'IDPs. Cette méthode s'appuie sur une variante multi-arbre de l'algorithme Transition-based Rapidly-exploring Random Tree (Multi-TRRT)! , récemment développé au LAAS-CNRS, et qui a donné de bons résultats pour les biomolécules de petites et moyennes tailles. Afin d'appliquer cette méthode aux IDPs, nous avons proposé une stratégie hybride pour la parallélisation de l'algorithme, permettant une exécution efficace dans les clusters de calcul.Outre le travail méthodologique susmentionné, j'ai également participé activement à des travaux multidisciplinaires, en collaboration avec des biophysiciens et des biologistes, où j'ai appliqué ces méthodes à l'étude de systèmes biologiques importants, en particulier la protéine huntingtin, l'agent responsable de la maladie de Huntington.En conclusion, les travaux menés dans le cadre de cette thèse de doctorat ont permis de mieux comprendre la relation entre la séquence et la structure des IDPs, ouvrant la voie à de nouvelles applications. Grâce à cette compréhension plus approfondie des relations séquence-structure il sera possible d'anticiper les perturbations structurelles exercées par les mutations dans la séquence, ainsi que la conception rationnelle des IDPs ayant des propriétés spécifiques pour des applications dans les biotechnologies.

The objective of this thesis is the numerical study of light trapping in nanostructured solar cells. Climate change has become a major issue requiring a short-term energy transition. In this context, solar energy seems to be an ideal energy source. This resource is both globally scalable and environmentally friendly. In order to maximize its penetration, it is needed to increase the amount of light absorbed and reduce the costs associated with cell design. Light trapping is a strategy that achieves both of these objectives. The principle is to use nanometric textures to focus the light in the absorbing semiconductor layers. In this work, the Discontinuous Galerkin Time-Domain (DGTD) method is introduced. Two major methodological developments are presented, allowing to better take into account the characteristics of solar cells. First, the use of a local approximation order is proposed, based on a particular order distribution strategy. The second development is the use of hybrid meshes mixing structured hexahedral and unstructured tetrahedral elements. Realistic cases of solar cells from the literature and collaborations with physicists in the field of photovoltaics illustrate the contribution of these developments. A case of inverse optimization of a diffraction grating in a solar cell is also presented by coupling the numerical solver with a Bayesian optimization algorithm. In addition, an in-depth study of the solver's performance has also been carried out with methodological modifications to counter load balancing problems. Finally, a more prospective method, the Multiscale Hybrid-Mixed method (MHM) specialized in solving very highly multiscale problems is introduced. A multiscale time scheme is presented and its stability is proven.; L’objectif de cette thèse est l’étude numérique du piégeage de la lumière dans des cellules solaires nanostructurées. Le changement climatique est devenu une problématique majeure nécessitant une transition énergétique à court terme. Dans ce contexte, l'énergie solaire semble être une source énergétique idéale. Cette ressource est à la fois scalable à l’échelle planétaire et écologique. Afin de maximiser sa pénétration, des travaux visant à augmenter la quantité de lumière absorbée et à réduire les coûts liés à la conception des cellules sont nécessaires. Le piégeage de la lumière est une stratégie qui permet d’atteindre ces deux objectifs. Son principe consiste à utiliser des texturations nanométriques afin de focaliser la lumière dans les couches de semi-conducteur absorbantes. Dans ce travail, la méthode de Galerkine Discontinue en Domaine Temporel (DGTD) est introduite. Deux développements méthodologiques majeurs, permettant de mieux prendre en compte les caractéristiques des cellules solaires, sont présentés. Tout d'abord, l’utilisation d’un ordre d’approximation local est proposé , basé sur une stratégie de répartition particulière de l’ordre. Le deuxième développement est l’utilisation de maillage hybride mixant ses élements hexahédriques structurés et tétrahédriques non structurés. Des cas réalistes de cellules solaires issus de la littérature et de collaborations avec des physiciens du domaine du photovoltaïque permettent d'illustrer l' apport de ces développements. Un cas d’optimisation inverse de réseau de diffraction dans une cellule solaire est également présenté en couplant le solveur numérique avec un algorithme d’optimisation bayésienne. De plus, une étude approfondie des performances du solveur a également été réalisée avec des modifications méthodologiques pour contrer les problèmes de répartition de charge. Enfin, une méthode plus prospective, la méthode Multiéchelle Hybride-Mixte (MHM) spécialisée dans la résolution de problème très fortement multiéchelle est introduite. Un schéma en temps multiéchelle est présenté et sa stabilité prouvée.

In-flight icing prevention is a major issue in the aeronautical world, since it's one of the major causes of accidents. When supercooled droplets impact the airfoil, icing accretion occurs and can dramatically deteriorate the aeronautical performances or obstruct sensors. In this context, a deep understanding of drop impact phenomenon is needed to answer the new regulations from certification agencies and at the same time to improve the efficiency of ice protection devices.Using a Direct Numerical Simulation (DNS) tool allows us to provide physical quantities hard to access by experimental means. However, high-velocity impacts demand the use of precise, conservative and stable numerical methods, as well as high computational ressources.In this PhD, we make a contribution to the understanding of drop impact on different targets (dry wall or liquid film) with both low and high impact velocity. This work has been accompished by developing and using the DNS code DYJEAT based on incompressible Navier-Stokes equations for two-phase flows. The use of both Level-Set and Volume-of-Fluid methods allows us to cope with this numerical challenge. First, spreading phenomenon is studied by implementing a law for capillary effects at the triple line. Then, the crown formation following the impact on a liquid film is analyzed. Specific methods for post-processing are developed to precisely characterize both geometrical crown topology and secondary droplets. From the analysis of high-velocity impacts recorded by ONERA lab, we devise and perform a series of simulations on configurations barely addressed by now in the litterature. The influence of wettability, incidence angle and ambient pressure on splashing phenomenon are highlighted. This kind of simulation requires heavily refined mesh surpassing the billion mesh cells. In this high-performance context, calculation practices need to be reworked to efficiently perform simulation and post-processing on supercomputer at a regional or national level.; La lutte contre la formation de givre en vol est un enjeu majeur en aéronautique en tant que source majeure d'accidents. Lors de la collision avec les gouttes d'eau surfondue présentes dans les nuages, l'accrétion de givre engendrée peut détériorer les performances aérodynamiques de l'appareil ou obstruer les capteurs. Dans ce contexte, la compréhension détaillée du processus d'impact de goutte est encouragée par l'évolution des normes de certification pour adapter les dispositifs de protection.L'utilisation d'un outil de simulation numérique directe (DNS) permet d'accéder à des grandeurs physiques difficilement accessibles par l'expérience et de fournir des données pour la modélisation. Néanmoins, les impacts à haute vitesse demandent des méthodes numériques à la fois précises, conservatives et robustes tout en exigeant un coût de simulation élevé.Dans cette thèse, on contribue à la compréhension de la physique de l'impact de goutte à basse et haute vitesse sur différents types de cible, parois sèche ou mouillée. Ceci est fait à travers le développement et l'utilisation du code DNS DYJEAT, qui résout les équations de Navier-Stokes incompressibles diphasiques. Une approche centrée sur les méthodes Level-Set et Volume-of-Fluid permettent de répondre aux défis de ce type de simulation. A l'aide de ce code, on étudie d'abord le phénomène d'étalement en implémentant une modélisation des effets capillaires en paroi. On s'intéresse par la suite à la formation d'une couronne liquide lors d'un impact sur une épaisseur liquide. L'instrumentation du code réalisée permet de caractériser finement la couronne et les structures secondaires formées lors de l'impact.A partir du post-traitement d'expériences à haute vitesse menées à l'ONERA, on a réalisé une campagne de simulations sur des configurations à haute énergie, jusqu'à présent peu explorées en littérature. Ces campagnes de calculs permettent en particulier d'explorer l'effet de la nature de la paroi, de l'angle d'impact ou de la pression ambiante sur le phénomène de \textit{splash}. Ces calculs nécessitent des maillages pouvant dépasser le milliard de points et impliquent l'adaptation des pratiques de calcul décrites aussi dans ce travail, et appliquées lors de l'utilisation des supercalculateurs au niveau régional ou national.

National audience; La France vient de se doter du supercalculateur baptisé Jean Zay, l'un des plus puissants d'Europe, offrant des capacités de calculs inimaginables jusqu'à présent pour la recherche française. Mais saviez-vous que des pannes peuvent se produire chaque jour dans ces machines surpuissantes ? Anne Benoit s'intéresse à cette problématique et nous explique les enjeux de ses travaux dans cet épisode du podcast Interstices.Écoutez l'interview d'Anne Benoit.

In-flight icing prevention is a major issue in the aeronautical world, since it's one of the major causes of accidents. When supercooled droplets impact the airfoil, icing accretion occurs and can dramatically deteriorate the aeronautical performances or obstruct sensors. In this context, a deep understanding of drop impact phenomenon is needed to answer the new regulations from certification agencies and at the same time to improve the efficiency of ice protection devices.Using a Direct Numerical Simulation (DNS) tool allows us to provide physical quantities hard to access by experimental means. However, high-velocity impacts demand the use of precise, conservative and stable numerical methods, as well as high computational ressources.In this PhD, we make a contribution to the understanding of drop impact on different targets (dry wall or liquid film) with both low and high impact velocity. This work has been accompished by developing and using the DNS code DYJEAT based on incompressible Navier-Stokes equations for two-phase flows. The use of both Level-Set and Volume-of-Fluid methods allows us to cope with this numerical challenge. First, spreading phenomenon is studied by implementing a law for capillary effects at the triple line. Then, the crown formation following the impact on a liquid film is analyzed. Specific methods for post-processing are developed to precisely characterize both geometrical crown topology and secondary droplets. From the analysis of high-velocity impacts recorded by ONERA lab, we devise and perform a series of simulations on configurations barely addressed by now in the litterature. The influence of wettability, incidence angle and ambient pressure on splashing phenomenon are highlighted. This kind of simulation requires heavily refined mesh surpassing the billion mesh cells. In this high-performance context, calculation practices need to be reworked to efficiently perform simulation and post-processing on supercomputer at a regional or national level., La lutte contre la formation de givre en vol est un enjeu majeur en aéronautique en tant que source majeure d'accidents. Lors de la collision avec les gouttes d'eau surfondue présentes dans les nuages, l'accrétion de givre engendrée peut détériorer les performances aérodynamiques de l'appareil ou obstruer les capteurs. Dans ce contexte, la compréhension détaillée du processus d'impact de goutte est encouragée par l'évolution des normes de certification pour adapter les dispositifs de protection.L'utilisation d'un outil de simulation numérique directe (DNS) permet d'accéder à des grandeurs physiques difficilement accessibles par l'expérience et de fournir des données pour la modélisation. Néanmoins, les impacts à haute vitesse demandent des méthodes numériques à la fois précises, conservatives et robustes tout en exigeant un coût de simulation élevé.Dans cette thèse, on contribue à la compréhension de la physique de l'impact de goutte à basse et haute vitesse sur différents types de cible, parois sèche ou mouillée. Ceci est fait à travers le développement et l'utilisation du code DNS DYJEAT, qui résout les équations de Navier-Stokes incompressibles diphasiques. Une approche centrée sur les méthodes Level-Set et Volume-of-Fluid permettent de répondre aux défis de ce type de simulation. A l'aide de ce code, on étudie d'abord le phénomène d'étalement en implémentant une modélisation des effets capillaires en paroi. On s'intéresse par la suite à la formation d'une couronne liquide lors d'un impact sur une épaisseur liquide. L'instrumentation du code réalisée permet de caractériser finement la couronne et les structures secondaires formées lors de l'impact.A partir du post-traitement d'expériences à haute vitesse menées à l'ONERA, on a réalisé une campagne de simulations sur des configurations à haute énergie, jusqu'à présent peu explorées en littérature. Ces campagnes de calculs permettent en particulier d'explorer l'effet de la nature de la paroi, de l'angle d'impact ou de la pression ambiante sur le phénomène de \textit{splash}. Ces calculs nécessitent des maillages pouvant dépasser le milliard de points et impliquent l'adaptation des pratiques de calcul décrites aussi dans ce travail, et appliquées lors de l'utilisation des supercalculateurs au niveau régional ou national.

Intrinsically Disordered Proteins (IDPs) are involved in many biological processes. Their inherent plasticity facilitates very specialized tasks in cell regulation and signalling, and their malfunction is linked to severe pathologies. Understanding the functional roles of IDPs requires their structural characterization, which is extremely challenging, and needs a tight coupling of experimental and computational methods. In contrast to structured/globular proteins, IDPs cannot be represented by a single conformation, and their models must be based on ensembles of conformations representing a distribution of states that the protein adopts in solution. While purely random coil ensembles can be reliably constructed by available bioinformatics tools, these tools fail to reproduce the conformational equilibrium present in partially-structured regions.In this thesis, we propose several computational methods that, combined with experimental data, provide a better structural characterization of IDPs. These methods can be grouped in two main categories: methods to construct conformational ensemble models, and methods to simulate conformational transitions.Contributing to the first type of methods, we propose a new approach to generate realistic conformational ensembles that improves previously existing methods, being able to reproduce the partially-structured regions in IDPs. This method exploits structural information encoded in a database of three-residue fragments (tripeptides) extracted from high-resolution experimentally-solved protein structures. We have shown that conformational ensembles generated by our method reproduce accurately structural descriptors obtained from NMR and SAXS experiments for a benchmark set of nine IDPs. Also exploiting the tripeptide database, we have developed an algorithm to predict the propensity of some fragments inside IDPs to form secondary structure elements. This new method provides more accurate results than those of the most commonly-used predictors available on our benchmark set of well-characterized IDPs.Contributing to the second type of methods, we have developed an original approach to model the folding mechanism of secondary structural elements. The computation of conformational transitions is formulated as a discrete path search problem using the tripeptide database. To evaluate the approach, we have applied the strategy to two small synthetic polypeptides mimicking two common structural motifs in proteins. The folding mechanisms extracted are very similar to those obtained when using traditional, computationally expensive approaches. Finally, we have developed a more general method to compute transition paths between a (possibly large) set of conformations of an IDP. This method builds on a multi-tree variant of the TRRT algorithm, developed at LAAS-CNRS, and which provided good results for small and middle-sized biomolecules. In order to apply this method to IDPs, we have proposed a hybrid strategy for the parallelization of the algorithm, enabling an efficient e! xecution in computer clusters.In addition to the aforementioned methodological work, I have been actively involved in multidisciplinary work, together with biophysicists and biologists, where I have applied these methods to the investigation of important biological systems, in particular the huntingtin protein, the causative agent of Huntington’s disease.In conclusion, the work carried out during my PhD thesis has enabled a better understanding of the relationship between sequence and structural properties of IDPs, paving the way to novel applications. For example, this deeper understanding of sequence-structure relationships will enable us to anticipate structural perturbations exerted by sequence mutations, and subsequently, the rational design of IDPs with tailored properties for biotechnological applications., Les protéines intrinsèquement désordonnées (IDPs, acronyme en anglais de "Intrinsically Disordered Proteins") sont des essentielles dans des nombreux processus biologiques. Leur plasticité inhérente facilite des tâches spécialisées, complémentaire à celles des protéines globulaires, dans la régulation et dans la signalisation cellulaire, et leur dysfonctionnement est lié à des pathologies sévères. Comprendre leur rôle fonctionnel exige de caractériser la structure des IDPs et des complexes qu'elles forment. Modéliser les IDPs est extrêmement difficile et exige un couplage étroit des méthodes expérimentales et informatiques. Contrairement aux protéines structurées/globulaires, les IDPs ne peuvent pas être représentées par une seule conformation, et leurs modèles doivent être basés sur des ensembles de conformations qui représentent une distribution des états que la protéine adopte en solution. Il existe de multiples outils bioinformatique! s qui permettent d'identifier à priori les éléments partiellement structurés au sein des IDPs. Cependant, les caractéristiques structurelles détectées par ces programmes dépendent fortement de la méthodologie utilisée, et les différentes méthodes produisent souvent des résultats contradictoires. Alors que des ensembles purement composés par "random coil" peuvent être construits de manière fiable, l'équilibre conformationnel présent dans les régions partiellement structurées est mal reproduit.Dans cette thèse, nous proposons plusieurs méthodes de calcul qui, combinées à des données expérimentales, permettent une meilleure caractérisation structurelle des IDPs. Ces méthodes peuvent être regroupées en deux grandes catégories : les méthodes de construction de modèles d'ensembles conformationnels et les méthodes de simulation des transitions conformationnelles.Contribuant au premier type de méthodes, nous présentons une nouvelle approche pour générer des ensembles conformationnels réalistes, qui améliore les approches existantes, et permet de reproduire les régions partiellement structurées des IDPs. Cette méthode exploite les informations structurelles codées dans une base de données de fragments de trois résidus (tripeptides) extraits de structures protéiques de haute résolution obtenues expérimentalement. Nous avons montré que les ensembles conformationnels générés par notre méthode reproduisent fidèlement les descripteurs structurels obtenus à partir d'expériences RMN et SAXS. En tant que composante nécessaire de l'algorithme de construction d'ensemble, nous avons développé un algorithme pour prédire la propension de certains fragments à l'intérieur des IDPs à former des éléments de structure secondaire. Cette nouvelle méthode, qui exploite également la base de données de tripeptides, fournit! des résultats plus précis que ceux des prédicteurs les plus couramment utilisés sur plusieurs IDPs bien caractérisées. Bien que le prédicteur structurel ait été principalement développé pour compléter notre méthode de modélisation d'ensembles, il peut également être très utile comme outil indépendant.Contribuant au deuxième type de méthodes, nous avons développé une approche originale pour modéliser le mécanisme de repliement des éléments structuraux secondaires. Le calcul des transitions conformationnelles menant à la formation des éléments structuraux est formulé comme un problème de recherche de chemin discret à l'aide de la base de données de tripeptides. Pour évaluer l'approche, nous avons appliqué la stratégie à deux petits polypeptides synthétiques imitant deux motifs structurels communs dans les protéines. Les mécanismes de repliement extraits sont très similaires à ceux obtenus en utilisant des approches traditionnelles et coûteuses en calcul. Enfin, nous avons mis au point une méthode plus générale pour calculer les chemins de transition entre un ensemble (éventuellement important) de conformations d'IDPs. Cette méthode s'appuie sur une variante multi-arbre de l'algorithme Transition-based Rapidly-exploring Random Tree (Multi-TRRT)! , récemment développé au LAAS-CNRS, et qui a donné de bons résultats pour les biomolécules de petites et moyennes tailles. Afin d'appliquer cette méthode aux IDPs, nous avons proposé une stratégie hybride pour la parallélisation de l'algorithme, permettant une exécution efficace dans les clusters de calcul.Outre le travail méthodologique susmentionné, j'ai également participé activement à des travaux multidisciplinaires, en collaboration avec des biophysiciens et des biologistes, où j'ai appliqué ces méthodes à l'étude de systèmes biologiques importants, en particulier la protéine huntingtin, l'agent responsable de la maladie de Huntington.En conclusion, les travaux menés dans le cadre de cette thèse de doctorat ont permis de mieux comprendre la relation entre la séquence et la structure des IDPs, ouvrant la voie à de nouvelles applications. Grâce à cette compréhension plus approfondie des relations séquence-structure il sera possible d'anticiper les perturbations structurelles exercées par les mutations dans la séquence, ainsi que la conception rationnelle des IDPs ayant des propriétés spécifiques pour des applications dans les biotechnologies.

The objective of this thesis is the numerical simulation of the boiling henomenon on unstructured grids. Boiling is the phase change of fluid particles from the liquid phase to the vapor phase under the action of thermal fluxes at the interface separating the two phases. Boiling is thus encountered in two-phase flows and driven by the mass transfer rate at the interface. This mass transfer rate is computed from the thermal fluxes on both sides of the interface. Consequently, a highly accurate numerical method is needed to locate the interface throughout the simulation. The Navier-Stokes equations are then coupled to the heat equation by means of the mass transfer rate at the interface. Such simulations have been performed by Tanguy et al. (J. Comput.Phys., 2014) on two-dimensional axisymmetric cartesian grids. In this thesis, weextend this methodology to three-dimensional unstructured grids (composed ofirregular tetrahedra, useful to describe complex geometries). We then developed a specific solver in the YALES2 code (finite-volume-based code for simulations of two-phase flows on 3D unstructured grids). The interface motion is captured by the Level Set method. Phase change implies velocity and pressure discontinuities at the interface which especially depend on the mass transfer rate. These discontinuities are taken into account by the Ghost Fluid Method, with two velocity fields and two temperature fields. This methodology being already well established for structured cartesian grids, the contribution of this thesis relies on the ability to simulate phase change by boiling on three-dimensional unstructured grids. The particularities of unstructured grids have demanded numerous developments for the reinitialization of the Level Set function after advection, as well as the use of high-order operators forthe computation of the mass transfer rate at the interface. The proposed developments are finally validated on unstructured grids against the analytical test-case of a 3D bubble expanding inside a superheated quiescent liquid., Cette thèse a pour objectif la simulation numérique du phénomène d'ébullition sur maillages non structurés. L'ébullition est le changement de phase des particules fluides de la phase liquide vers la phase vapeur sous l'action des flux thermiques à l'interface séparant les deux phases. Il s'agit donc d'un phénomène rencontré au sein d'écoulements diphasiques et piloté par le taux de transfert de masse à l'interface. Ce taux de transfert de masse est calculé à partir des flux thermiques de part et d'autre de l'interface. Cela implique donc la nécessité d'adopter une méthode de suivi d'interface très précise pour localiser l'interface à tout instant de la simulation. Les équations de Navier-Stokes sont alors couplées à l'équation de la chaleur par l'intermédiaire du taux de transfert de masse à l'interface. De telles simulations ont été menées par Tanguy et al. (J. Comput. Phys., 2014) sur des maillages cartésiens axisymétriques en deux dimensions. Dans cette thèse, nous étendons cette méthodologie à des maillages non structurés en trois dimensions (maillages composés de tétraèdres non réguliers utiles pour décrire des géométries complexes). Pour ce faire, nous avons développé un solveur spécifique dans le code YALES2 (code diphasique basé sur la méthode des volumes finis pour des maillages 3D non structurés). Le suivi de l'interface est assuré par la méthode Level Set. Le changement de phase engendre des discontinuités de vitesse et de pression à l'interface qui dépendent notamment du taux de transfert de masse. Ces discontinuités sont prises en compte par la méthode Ghost Fluid à l'aide de deux champs de vitesse et deux champs de température. Cette méthodologie étant déjà bien établie pour des maillages structurés cartésiens, l'apport de cette thèse réside dans la possibilité de simuler le changement de phase par ébullition sur des maillages non structurés en trois dimensions. Les spécificités des maillages non structurés ont nécessité de nombreux développements pour la réinitialisation de la fonction Level Set après advection, ainsi que l'utilisation d'opérateurs d'ordres élevés pour le calcul du taux de transfert de masse à l'interface. L'ensemble des développements proposés est finalement validé sur maillages non structurés à l'aide du cas-test analytique d'une bulle 3D en expansion dans un liquide surchauffé au repos.

Passive acoustic monitoring has a growing importance in marine mammals studies. This work is concerned with the largest of marine mammals, the blue whale (Balaenoptera musculus). We obtained a new corpus of acoustic data in the northern part of Chile, in the Humboldt archipelago. We show the presence of a song characteristic of the 'Chilean' blue whale, formerly described in southern Chile and Galapagos islands. Based on this sang type, we propose new methods of analysing and classifying pulsed sounds. Using the fundamental frequency thus obtained, we analyse the blue whale's sang, showing a general evolution of the frequency on a decadal scale. We also construct a method of mono­hydrophone source localisation based on high performance simulation of the acoustic wave field, by spectral elements methods. We conclude emphasizing on the importance of bioacoustic for monitoring the marine world.; La surveillance par acoustique passive est un outil d'importance croissante pour l'étude des mammifères marins. Cette thèse pose des nouveaux modèles pour l'étude du plus grand d'entre eux, la baleine bleue (Balaenoptera musculus), qui émet de très basses fréquences. Pour ce faire, nous avons enregistré un corpus inédit dans l'archipel de Humboldt au nord du Chili. Nos données révèlent un chant caractéristique de la baleine bleue 'chilienne', dont nous étudions la structure pulsée et l'évolution au cours des dernières décennies. Le classement en signal tonal ou non-tonal nous permet, en nous focalisant sur la fréquence fondamentale mise à jour, de quantifier la baisse en fréquence des chants et d'effectuer une comparaison des signaux au niveau mondial. Notre troisième contribution est une méthode de localisation mono-hydrophone basée sur des simulations de propagation par éléments spectraux. C'est à notre connaissance le premier modèle de ce type, implémenté en milliers d'heures de calcul haute performance. Nous concluons en soulignant l'intérêt des méthodes en bioacoustique comme moyen de suivi et de connaissance du milieu marin.

With the advent of multicore and manycore processors as building blocks of HPC supercomputers, many applications shift from relying solely on a distributed programming model (e.g., MPI) to mixing distributed and shared memory models (e.g., MPI+OpenMP). This leads to a better exploitation of shared-memory communications and reduces the overall memory footprint. However, this evolution has a large impact on the software stack as applications’ developers do typically mix several programming models to scale over a large number of multicore nodes while coping with their hierarchical depth. One side effect of this programming approach is runtime stacking: mixing multiple models involve various runtime libraries to be alive at the same time. Dealing with different runtime systems may lead to a large number of execution flows that may not efficiently exploit the underlying resources.We first present a study of runtime stacking. It introduces stacking configurations and categories to describe how stacking can appear in applications. We explore runtime-stacking configurations (spatial and temporal) focusing on thread/process placement on hardware resources from different runtime libraries. We build this taxonomy based on the analysis of state-of-the-art runtime stacking and programming models.We then propose algorithms to detect the misuse of compute resources when running a hybrid parallel application. We have implemented these algorithms inside a dynamic tool, called the Overseer. This tool monitors applications, and outputs resource usage to the user with respect to the application timeline, focusing on overloading and underloading of compute resources.Finally, we propose a second external tool called Overmind, that monitors the thread/process management and (re)maps them to the underlying cores taking into account the hardware topology and the application behavior. By capturing a global view of resource usage the Overmind adapts the process/thread placement, and aims at taking the best decision to enhance the use of each compute node inside a supercomputer. We demonstrate the relevance of our approach and show that our low-overhead implementation is able to achieve good performance even when running with configurations that would have ended up with bad resource usage., Avec l’avènement des processeurs multi-coeur et many-coeur comme bloc de base des supercalculateurs, beaucoup d’applications évoluent. Au lieu de n’utiliser qu’un seul modèle de programmation parallèle à mémoire distribuée (comme MPI), elles se doivent d’ajouter des modèles à mémoire partagée (comme OpenMp). Ces deux types de modèles se retrouvent en cohabitation au sein de l’application. Cela conduit à une meilleure exploitation des communications en mémoire partagée, tout en réduisant l’empreinte mémoire globale des applications. Cependant, cette évolution a un large impact sur la pile logicielle car les développeurs mélangent généralement plusieurs modèles de programmation pour passer à l’échelle sur un grand nombre de nœuds de calcul. Un effet de bord de cette approche de la programmation est l’empilement de modèles (‘runtime stacking’) : mélanger plusieurs modèles implique que plusieurs bibliothèques fonctionnent en même temps. Gérer plusieurs bibliothèques peut mener à un grand nombre de fils d’exécution utilisant les ressources sous-jacentes de manière non optimale.Nous présentons tout d’abord une étude du mélange de modèles de programmation. Elle introduit des configurations et catégories qui décrivent comment le mélange peut apparaitre dans les applications. Nous explorons les configurations spatiales et temporelles de mélange en nous concentrant sur le placement des fils d’exécution, provenant de plusieurs bibliothèques, sur les ressources matérielles. Nous construisons cette taxonomie en nous basant sur l’analyse de l’état de l’art des modèles de programmation et de leurs mélanges.Nous proposons ensuite des algorithmes pour détecter les mauvaises utilisations des ressources de calcul lors de l’exécution d’une application mélangeant plusieurs modèles de programmation. Nous avons implémenté ces algorithmes dans un outil dynamique appelé ‘Overseer’. Cet outil surveille l’application, et produit un rapport présentant l’utilisation des ressources tout au long de l’exécution. Le but de cette analyse est de mettre en lumière la sur- ou sous-utilisation des ressources de calcul.Enfin, nous proposons un second outil appelé ‘Overmind’, dont le but est de surveiller et de gérer le placement des fils d’exécution à la volée. La topologie des ressources des calculs ainsi que le comportement de l’application sont pris en compte pour utiliser au mieux toutes les ressources à disposition. En capturant une vue globale de l’utilisation des ressources, l’Overmind adapte le placement des fils d’exécution, et vise à prendre la meilleure décision pour améliorer l’utilisation des ressources de calcul de chaque nœud du supercalculateur.Nous démontrons la pertinence de notre approche et montrons qu’avec son faible surcout, notre implémentation est capable d’améliorer les performances d’applications, même si celles-ci utilisaient les ressources de calcul de manière non optimale à l’origine.

Les écoulements gaz-particules sont présents dans de nombreux phénomènes naturels (formation des nuages, éruptions volcaniques,...) mais également dans de nombreux processus industriels (combustion, lits fluidisés,...). De nombreuses approches peuvent être utilisées pour simuler ce type d’écoulements. Dans une approche Euler-Lagrange, les particules sont considérées comme des inclusions ponctuelles et un bilan des forces exercées sur chacune d’entre elles est alors estimé afin de déterminer leurs trajectoires. La modification du champ gaz dans le voisinage de chaque particule est alors pris en compte via l’ajout de termes sources dans les équations décrivant l’évolution du gaz. Lorsque le nombre de particules devient trop important et qu’un suivi individuel n’est plus possible, le spray est décrit de manière statistique.L’approche Lagrangienne statistique consiste alors à échantillonner le spray au moyen de particules numériques et à résoudre des équations de transport pour celles-ci. L’information transportée par chaque particule numérique est ensuite utilisée pour définir des champs Eulériens décrivant le spray en tout point de l’espace. Un inconvénient majeur et reconnu de l’approche Lagrangienne reste son lien avec le maillage utilisé pour décrire le gaz et des raffinements en maillage localement trop important peuvent causer des problèmes de convergence sur les simulations numériques. L’objectif de cette étude est de développer deux nouvelles méthodologies numériques pour améliorer la robustesse des simulations de type Euler-Lagrange.Tout d’abord, une nouvelle méthode de régularisation implicite des termes sources a été développée. Elle permet d’adapter l’échelle de longueur de régularisation à la valeur locale du rapport entre la taille de la particule considérée et le pas de maillage local. Elle repose sur la résolution d’une équation de diffusion non-linéaire couplée à une méthode de reconstruction de la vitesse gaz non-perturbée au centre de chaque particule. Ensuite, une méthodologie de lissage de champs Eulériens reconstruits à partir d’une phase dispersée Lagrangienne a été développée. La longueur de lissage est localement définie par la distance inter-particules et des équations de transport sont utilisées pour reconstruire dynamiquement cette grandeur à moindre coût. Les champs Eulériens sont ensuite lissés grâce à la résolution successive de deux équations de diffusion dont la première est utilisée pour imposer localement la bonne longueur de lissage. Dispersed two-phase flows are ubiquitous in many natural phenomena (cloud formation, volcanic eruptions,...) but also in many industrial processes (spray combustion, fluidized beds, ...). Many approaches can be used to perform numerical simulations these flows. In Euler-Lagrange approach, particles are considered as inclusions and the forces exerted on each of them are estimated in order to determine their trajectories. Source terms are then added to the gas phase equations to compute the local perturbation of the gas phase around each particle. When the number of particles is too large to compute their individual trajectory at a reasonable computational cost, the spray may be described in a purely statistical sense. In statistical Lagrangian approach, the spray is sampled in numerical particles each carrying information on it. These information are then used to define Eulerian field to describe the spray at any point in space. One well-known drawback of the Lagrangian approach is that the simulations are grid dependent and mesh refinements can lead to convergence issues. The objective of this thesis is to develop two new numerical methodologies to improve the robustness of Euler-Lagrange simulations. First, a new implicit source terms regularization procedure has been developed. It allows to adapt the regularization length scale to the local value of the ratio between the diameter of the particle considered and the local mesh size. It relies on both the resolution of a non-linear diffusion equation and on the evaluation of the undisturbed gas velocity at particles location.Then, a new Eulerian field procedure has been developed. The smoothing length scale is locally defined by the inter-particle distance and transport equations are solved to dynamically reconstruct these distances at a reasonable computational cost. The smoothing procedure is then based on the successive resolution of two diffusion equations, the first being used to locally enforce the correct smoothing length scale.

Vidéo https://replay.jres.org/videos/watch/811bb2fe-582e-4996-9643-89401d2c0d2c; International audience

Situations where an incident shock wave impinges upon a boundary layer are common in the aeronautical and spatial industries. Under certain circumstances (High Mach number, large shock angle...), the interaction between an incident shock wave and a boundary layer may create an unsteady separation bubble. This bubble, as well as the subsequent reflected shock wave, are known to oscillate in a low-frequency streamwise motion. This phenomenon, called the unsteadiness of the shock wave boundary layer interaction (SWBLI), subjects structures to oscillating loads that can lead to damages for the solid structure integrity.The aim of the present work is the unsteady numerical simulation of (SWBLI) in order to contribute to a better understanding of the SWBLI unsteadiness and the physical mechanism causing these low frequency oscillations of the interaction zone.To perform this study, an original numerical approach is used. The one step Finite Volume approach relies on the discretization of the convective fluxes of the Navier Stokes equations using the OSMP scheme developed up to the 7-th order both in space and time, the viscous fluxes being discretized using a standard centered Finite-Difference scheme. A Monotonicity-Preserving (MP) constraint is employed as a shock capturing procedure. The validation of this approach demonstrates the correct accuracy of the OSMP scheme to predict turbulent features and the great efficiency of the MP procedure to capture discontinuities without spoiling the solution and with an almost negligible additional cost. It is also shown that the use of the highest order tested of the OSMP scheme is relevant in term of simulation time and accuracy compromise. Moreover, an order of accuracy higher than 2-nd order for approximating the diffusive fluxes seems to have a negligible influence on the solution for such relatively high Reynolds numbers.By simulating the 3D unsteady interaction between a laminar boundary layer and an incident shock wave, we suppress the suspected influence of the large turbulent structures of the boundary layer on the SWBLI unsteadiness, the only remaining suspected cause of unsteadiness being the dynamics of the separation bubble. Results show that only the reattachment point oscillates at low frequencies characteristic of the breathing of the separation bubble. The separation point of the recirculation bubble and the foot of the reflected shock wave have a fixed location along the flat plate with respect to time. It shows that, in this configuration, the SWBLI unsteadiness is not observed.In order to reproduce and analyse the SWBLI unsteadiness, the simulation of a shock wave turbulent boundary layer interaction (SWTBLI) is performed. A Synthetic Eddy Method (SEM), adapted to compressible flows, has been developed and used at the inlet of the simulation domain for initiating the turbulent boundary layer without prohibitive additional computational costs. Analyses of the results are performed using, among others, the snapshot Proper Orthogonal Decomposition (POD) technique. For this simulation, the SWBLI unsteadiness has been observed. Results suggest that the dominant flapping mode of the recirculation bubble occurs at medium frequency. These cycles of successive enlargement and shrinkage of the separated zone are shown to be irregular in time, the maximum size of the recirculation bubble being submitted to discrepancies between successive cycles. This behaviour of the separation bubble is responsible for a low frequency temporal modulation of the amplitude of the separation and reattachment point motions and thus for the low frequency breathing of the separation bubble. These results tend to suggest that the SWBLI unsteadiness is related to this low frequency dynamics of the recirculation bubble; the oscillations of the reflected shocks foot being in phase with the motion of the separation point.; Les situations dans lesquelles une onde de choc interagit avec une couche limite sont nombreuses dans les industries aéronautiques et spatiales. Sous certaines conditions (nombre de Mach élevé, grand angle de choc…), ces interactions entrainent un décollement de la couche limite. Des études antérieures ont montré que la zone de recirculation et le choc réfléchi sont tous deux soumis à un mouvement d'oscillation longitudinale à basse fréquence connu sous le nom d’instabilité de l’interaction onde de choc / couche limite (IOCCL). Ce phénomène appelé soumet les structures à des chargement oscillants à basse fréquence qui peuvent endommager les structures.L’objectif du travail de thèse est de réaliser des simulations instationnaires de l’IOCCL afin de contribuer à une meilleure compréhension de l’instabilité de l’IOCCL et des mécanismes physiques sous-jacents.Pour effectuer cette étude, une approche numérique originale est utilisée. Un schéma « One step » volume fini qui couple l’espace et le temps, repose sur une discrétisation des flux convectifs par le schéma OSMP développé jusqu’à l’ordre 7 en temps et en espace. Les flux visqueux sont discrétisés en utilisant un schéma aux différences finies centré standard. Une contrainte de préservation de la monotonie (MP) est utilisée pour la capture de choc. La validation de cette approche démontre sa capacité à calculer les écoulements turbulents et la grande efficacité de la procédure MP pour capturer les ondes de choc sans dégrader la solution pour un surcoût négligeable. Il est également montré que l’ordre le plus élevé du schéma OSMP testé représente le meilleur compromis précision / temps de calcul. De plus un ordre de discrétisation des flux visqueux supérieur à 2 semble avoir une influence négligeable sur la solution pour les nombres de Reynolds relativement élevés considérés.En simulant un cas d’IOCCL 3D avec une couche limite incidente laminaire, l’influence des structures turbulentes de la couche limite sur l’instabilité de l’IOCCL est supprimée. Dans ce cas, l’unique cause d’IOCCL suspectée est liée à la dynamique de la zone de recirculation. Les résultats montrent que seul le choc de rattachement oscille aux fréquences caractéristiques de la respiration basse fréquence du bulbe de recirculation. Le point de séparation ainsi que le choc réfléchi ont une position fixe. Cela montre que dans cette configuration, l’instabilité de l’IOCCL n’a pas été reproduite.Afin de reproduire l’instabilité de l’IOCCL, la simulation de l’interaction entre une onde de choc et une couche limite turbulente est réalisée. Une méthode de turbulence synthétique (Synthetic Eddy Method - SEM) est développée et utilisée à l’entrée du domaine de calcul pour initier une couche limite turbulente à moindre coût. L’analyse des résultats est effectuée en utilisant notamment la méthode snapshot-POD (Proper Orthogonal Decomposition). Pour cette simulation, l’instabilité de l’IOCCL a été reproduite. Les résultats suggèrent que la dynamique du bulbe de recirculation est dominée par une respiration à moyenne fréquence. Ces cycles successifs de remplissage / vidange de la zone séparée sont irréguliers dans le temps avec une taille maximale du bulbe de recirculation variant d’un cycle à l’autre. Ce comportement du bulbe de recirculation traduit une modulation basse fréquence des amplitudes des oscillations des points de séparation et de recollement et donc une respiration basse fréquence de la zone séparée. Ces résultats suggèrent que l’instabilité de l’IOCCL est liée à cette dynamique basse fréquence du bulbe de recirculation, les oscillations du pied du choc réfléchi étant en phase avec le point de séparation.

Situations where an incident shock wave impinges upon a boundary layer are common in the aeronautical and spatial industries. Under certain circumstances (High Mach number, large shock angle...), the interaction between an incident shock wave and a boundary layer may create an unsteady separation bubble. This bubble, as well as the subsequent reflected shock wave, are known to oscillate in a low-frequency streamwise motion. This phenomenon, called the unsteadiness of the shock wave boundary layer interaction (SWBLI), subjects structures to oscillating loads that can lead to damages for the solid structure integrity.The aim of the present work is the unsteady numerical simulation of (SWBLI) in order to contribute to a better understanding of the SWBLI unsteadiness and the physical mechanism causing these low frequency oscillations of the interaction zone.To perform this study, an original numerical approach is used. The one step Finite Volume approach relies on the discretization of the convective fluxes of the Navier Stokes equations using the OSMP scheme developed up to the 7-th order both in space and time, the viscous fluxes being discretized using a standard centered Finite-Difference scheme. A Monotonicity-Preserving (MP) constraint is employed as a shock capturing procedure. The validation of this approach demonstrates the correct accuracy of the OSMP scheme to predict turbulent features and the great efficiency of the MP procedure to capture discontinuities without spoiling the solution and with an almost negligible additional cost. It is also shown that the use of the highest order tested of the OSMP scheme is relevant in term of simulation time and accuracy compromise. Moreover, an order of accuracy higher than 2-nd order for approximating the diffusive fluxes seems to have a negligible influence on the solution for such relatively high Reynolds numbers.By simulating the 3D unsteady interaction between a laminar boundary layer and an incident shock wave, we suppress the suspected influence of the large turbulent structures of the boundary layer on the SWBLI unsteadiness, the only remaining suspected cause of unsteadiness being the dynamics of the separation bubble. Results show that only the reattachment point oscillates at low frequencies characteristic of the breathing of the separation bubble. The separation point of the recirculation bubble and the foot of the reflected shock wave have a fixed location along the flat plate with respect to time. It shows that, in this configuration, the SWBLI unsteadiness is not observed.In order to reproduce and analyse the SWBLI unsteadiness, the simulation of a shock wave turbulent boundary layer interaction (SWTBLI) is performed. A Synthetic Eddy Method (SEM), adapted to compressible flows, has been developed and used at the inlet of the simulation domain for initiating the turbulent boundary layer without prohibitive additional computational costs. Analyses of the results are performed using, among others, the snapshot Proper Orthogonal Decomposition (POD) technique. For this simulation, the SWBLI unsteadiness has been observed. Results suggest that the dominant flapping mode of the recirculation bubble occurs at medium frequency. These cycles of successive enlargement and shrinkage of the separated zone are shown to be irregular in time, the maximum size of the recirculation bubble being submitted to discrepancies between successive cycles. This behaviour of the separation bubble is responsible for a low frequency temporal modulation of the amplitude of the separation and reattachment point motions and thus for the low frequency breathing of the separation bubble. These results tend to suggest that the SWBLI unsteadiness is related to this low frequency dynamics of the recirculation bubble; the oscillations of the reflected shocks foot being in phase with the motion of the separation point.; Les situations dans lesquelles une onde de choc interagit avec une couche limite sont nombreuses dans les industries aéronautiques et spatiales. Sous certaines conditions (nombre de Mach élevé, grand angle de choc…), ces interactions entrainent un décollement de la couche limite. Des études antérieures ont montré que la zone de recirculation et le choc réfléchi sont tous deux soumis à un mouvement d'oscillation longitudinale à basse fréquence connu sous le nom d’instabilité de l’interaction onde de choc / couche limite (IOCCL). Ce phénomène appelé soumet les structures à des chargement oscillants à basse fréquence qui peuvent endommager les structures.L’objectif du travail de thèse est de réaliser des simulations instationnaires de l’IOCCL afin de contribuer à une meilleure compréhension de l’instabilité de l’IOCCL et des mécanismes physiques sous-jacents.Pour effectuer cette étude, une approche numérique originale est utilisée. Un schéma « One step » volume fini qui couple l’espace et le temps, repose sur une discrétisation des flux convectifs par le schéma OSMP développé jusqu’à l’ordre 7 en temps et en espace. Les flux visqueux sont discrétisés en utilisant un schéma aux différences finies centré standard. Une contrainte de préservation de la monotonie (MP) est utilisée pour la capture de choc. La validation de cette approche démontre sa capacité à calculer les écoulements turbulents et la grande efficacité de la procédure MP pour capturer les ondes de choc sans dégrader la solution pour un surcoût négligeable. Il est également montré que l’ordre le plus élevé du schéma OSMP testé représente le meilleur compromis précision / temps de calcul. De plus un ordre de discrétisation des flux visqueux supérieur à 2 semble avoir une influence négligeable sur la solution pour les nombres de Reynolds relativement élevés considérés.En simulant un cas d’IOCCL 3D avec une couche limite incidente laminaire, l’influence des structures turbulentes de la couche limite sur l’instabilité de l’IOCCL est supprimée. Dans ce cas, l’unique cause d’IOCCL suspectée est liée à la dynamique de la zone de recirculation. Les résultats montrent que seul le choc de rattachement oscille aux fréquences caractéristiques de la respiration basse fréquence du bulbe de recirculation. Le point de séparation ainsi que le choc réfléchi ont une position fixe. Cela montre que dans cette configuration, l’instabilité de l’IOCCL n’a pas été reproduite.Afin de reproduire l’instabilité de l’IOCCL, la simulation de l’interaction entre une onde de choc et une couche limite turbulente est réalisée. Une méthode de turbulence synthétique (Synthetic Eddy Method - SEM) est développée et utilisée à l’entrée du domaine de calcul pour initier une couche limite turbulente à moindre coût. L’analyse des résultats est effectuée en utilisant notamment la méthode snapshot-POD (Proper Orthogonal Decomposition). Pour cette simulation, l’instabilité de l’IOCCL a été reproduite. Les résultats suggèrent que la dynamique du bulbe de recirculation est dominée par une respiration à moyenne fréquence. Ces cycles successifs de remplissage / vidange de la zone séparée sont irréguliers dans le temps avec une taille maximale du bulbe de recirculation variant d’un cycle à l’autre. Ce comportement du bulbe de recirculation traduit une modulation basse fréquence des amplitudes des oscillations des points de séparation et de recollement et donc une respiration basse fréquence de la zone séparée. Ces résultats suggèrent que l’instabilité de l’IOCCL est liée à cette dynamique basse fréquence du bulbe de recirculation, les oscillations du pied du choc réfléchi étant en phase avec le point de séparation.

Steam generators are a key component of nuclear power reactors, and an in-depth knowledge of their mechanisms is a major industrial challenge for the designer AREVA-NP and the operator EDF. Vibration of tube bundles induced by cross-flow is one of the problems encountered by the designer, thus needing to assess the vibration response to the excitation generated by the flow. The critical region is the U shape of the bundle (upper part of the steam generator), where two-phase cross-flow occurs with an important void fraction. In order to measure excitation induced by flow fluctuations on the tube bundle, some physical parameters have to be identified. For single-phase flows, it seems possible to link load on tubular structure to turbulence intensity of the flow, thanks to experimental data reduction methods together with numerical simulation methods. For two-phase flows, it is believed that forces induced on the tubes by the flow have other origins, and might be connected to dynamic contribution of each phase together with interfacial transfers. Nevertheless, relevant physical parameters which could predict the amplitude of the forces remain a subject of debate (void fraction, flow regime, etc.) and physical processes not yet fully understood. In order to study mechanical instabilities in two-phase flows, some analytic experiments a have been and continue to be conducted at CEA. These analytic experiments focuses on isolated tube or tube bundles (rigid or flexible), and on a large regime flow range (AMOVI and DIVA mockups at CEA). They aim to describe these mechanical instabilities (forces measurement on the obstacle) based upon average parameters of the flow (gas and liquid flow rates, "mean" void fraction, etc.), but also local parameters (local void fraction, bubble size, gas velocity, etc.). These measured or locally estimated parameters are used to conduct relevant nondimensionalization, both on the random excitation forces (two-phase excitation spectrum on a rigid tube) and the fluid-elastic coupling forces (single flexible tube or flexible bundle). Nonetheless, some dispersion remains on the results, physical mechanisms are not well understood, and the nondimensionalization process remains dependent on metrology. The aim of this PhD thesis is to conduct numerical simulations with front tracking in configurations close to the experiments conducted at CEA in order to expand the knowledge on phenomena leading to vibration of tube bundle in steam generators.; Les générateurs de vapeur (GV) sont l’un des com-posants majeurs des réacteurs nucléaires, et une connaissanceapprofondie de leur comportement constitue un enjeu indus-triel important aussi bien pour le concepteur AREVA-NP quepour l’exploitant EDF. Une des problématiques rencontréespour le dimensionnement des GV concerne la vibration destubes induite par l’écoulement, ce qui nécessite une évalua-tion raisonnable de la réponse des tubes à l’excitation généréepar l’écoulement. La zone identifiée comme la plus critique estla région en U (partie haute du GV) où l’écoulement est dipha-sique avec un fort taux de vide et interagit plutôt transversa-lement avec les tubes. Afin d’évaluer les excitations généréessur les tubes par les fluctuations inhérentes à l’écoulement, lesparamètres physiques pertinents doivent être identifiés. Pourles écoulements monophasiques, il semble possible de relier lesefforts sur les structures tubulaires au niveau de turbulence del’écoulement à la fois en utilisant des méthodes de réductiondes données expérimentales mais également en utilisant desméthodes de simulations numériques. Pour les écoulementsdiphasiques, les forces induites sur les tubes par l’écoulementont a priori une autre origine et seraient plutôt liées aux contri-butions dynamiques de chaque phase ainsi qu’aux transfertsinterfaciaux. Néanmoins, les paramètres physiques pertinentsqui permettent de prévoir l’amplitude de ces forces restentlargement débattus (taux de vide, régime d’écoulement, etc.)et les mécanismes physiques mal compris. Pour étudier cesinstabilités vibratoires lorsque l’écoulement est diphasique, uncertain nombre d’expériences analytiques ont été et continuentà être menées au CEA. Ces expériences analytiques portentsur un tube isolé ou en faisceau, rigide ou flexible, et sur unelarge gamme de régimes d’écoulement (maquettes AMOVI etDIVA du CEA). Leur objectif est de caractériser ces instabili-tés vibratoires (mesure des forces exercées sur l’obstacle) enfonction de paramètres globaux de l’écoulement (débit gaz,débit liquide, taux de vide ”moyen”, etc.) mais aussi de cer-tains paramètres locaux (taux de vide local, taille des bulles,vitesse gaz, etc.). Ces paramètres mesurés ou estimés loca-lement sont ceux qui permettent d’obtenir les adimensionne-ments les plus pertinents à la fois sur les forces d’excitationsaléatoires (spectres d’excitation en diphasique sur tube rigide)et sur les forces de couplage fluide-élastiques (tube flexible seulpuis en faisceau). Il reste néanmoins une bande de dispersionsur les résultats obtenus, les mécanismes physiques sont malcompris et ces adimensionnements restent tributaires du choixde la localisation des mesures. L’objectif de la thèse est doncde mettre en oeuvre des simulations numériques avec suivid’interface dans des configurations proches de celles des ex-périences analytiques menées au CEA afin d’approfondir l’ana-lyse des phénomènes conduisant aux vibrations des tubes deGV.

The InKS programming model aims to improve readability portability and maintainability of simulation codes as well as boosting developer productivity. To fulfill these objectives, InKS proposes two languages, each dedicated to a specific concern. First, InKS PIA provides concepts to express simulation algorithms with no concerns for optimization. Once this foundation is set, InKSPSO enables optimization specialists to reuse the algorithm in order to specify the optimization part. The model offers to write numerous versions of the optimizations, typically one per architecture, from a single algorithm. This strategy limits the rewriting of code for each new optimization specification, boosting developer productivity.We have evaluated the InKS programming model by using it to implement the 6D Vlasov-Poisson solver and compared our version with a Fortran one. This evaluation highlighted that, in addition to the separation of concerns, the InKS approach is not more complex that traditional ones while offering the same performance. Moreover, using the algorithm, it is able to generate valid code for non-critical parts of code, leaving optimization specialists more time to focus on optimizing the computation intensive parts.; Le modèle de programmation InKS vise à améliorer la lisibilité, la portabilité et la maintenabilité des codes de simulation tout en accroissant la productivité des développeurs de telles applications. Pour atteindre ces objectifs, InKS propose deux langages, chacun dédié à une partie de l’application. Le premier, InKS PIA , permet d’exprimer les aspects algorithmiques d’un code de simulation scientifique tout en laissant les choix d’optimisation de côté. Il s’agit de décrire les fondations de la simulation : son algorithme. Le second langage, InKS PSO , permet aux spécialistes de l’optimisation de réutiliser les informations contenues dans l’algorithme pour exprimer une large variété de choix d’optimisation. Le modèle permet d’écrire de nombreuses versions des optimisations, typiquement une par architecture, à partir d’un unique algorithme. En basant les différentes versions d’un programme sur sa partie invariante, l’algorithme, le modèle InKS limite la réécriture du code, boostant la productivité des développeurs. Suite à la proposition du modèle InKS et de son implémentation, nous avons évalué le modèle au travers de l'implémentation de simulations de plasma: le système Vlasov-Poisson 6D. Cette évaluation a permis de mettre en évidence certaines bonnes propriétés du modèle, notamment en matière de séparation des aspects, mais aussi à montrer sa généralité et ses performances. Pour ce faire, nous avons comparé l'efficacité de deux implémentations du système Vlasov-Poisson 6D, écrite sur InKS ou Fortran. Pour les optimisations les plus importantes, le nombre de lignes dans les deux cas est similaire. Cependant, la présence de l'algorithme permet d'ordonnancer automatiquement, en une simple ligne, un large ensemble de calcul, verbeux et potentiellement sujet aux erreurs. Ainsi, dans les parties non critiques du code, InKS PSO peut résumer une partie du programme de manière concise, permettant de se concentrer sur les parties de calcul intensif. Par ailleurs, en limitant la réécriture du code aux seules optimisations, InKS permet de tester plusieurs stratégies d'optimisations afin d'identifier la plus adaptée à une architecture donnée. En comparaison, dans ces situations, les applications traditionnelles requièrent la réécriture d'une plus grande partie du code, limitant le temps consacré à la recherche des meilleures stratégies d'optimisation.

Steam generators are a key component of nuclear power reactors, and an in-depth knowledge of their mechanisms is a major industrial challenge for the designer AREVA-NP and the operator EDF. Vibration of tube bundles induced by cross-flow is one of the problems encountered by the designer, thus needing to assess the vibration response to the excitation generated by the flow. The critical region is the U shape of the bundle (upper part of the steam generator), where two-phase cross-flow occurs with an important void fraction. In order to measure excitation induced by flow fluctuations on the tube bundle, some physical parameters have to be identified. For single-phase flows, it seems possible to link load on tubular structure to turbulence intensity of the flow, thanks to experimental data reduction methods together with numerical simulation methods. For two-phase flows, it is believed that forces induced on the tubes by the flow have other origins, and might be connected to dynamic contribution of each phase together with interfacial transfers. Nevertheless, relevant physical parameters which could predict the amplitude of the forces remain a subject of debate (void fraction, flow regime, etc.) and physical processes not yet fully understood. In order to study mechanical instabilities in two-phase flows, some analytic experiments a have been and continue to be conducted at CEA. These analytic experiments focuses on isolated tube or tube bundles (rigid or flexible), and on a large regime flow range (AMOVI and DIVA mockups at CEA). They aim to describe these mechanical instabilities (forces measurement on the obstacle) based upon average parameters of the flow (gas and liquid flow rates, "mean" void fraction, etc.), but also local parameters (local void fraction, bubble size, gas velocity, etc.). These measured or locally estimated parameters are used to conduct relevant nondimensionalization, both on the random excitation forces (two-phase excitation spectrum on a rigid tube) and the fluid-elastic coupling forces (single flexible tube or flexible bundle). Nonetheless, some dispersion remains on the results, physical mechanisms are not well understood, and the nondimensionalization process remains dependent on metrology. The aim of this PhD thesis is to conduct numerical simulations with front tracking in configurations close to the experiments conducted at CEA in order to expand the knowledge on phenomena leading to vibration of tube bundle in steam generators.; Les générateurs de vapeur (GV) sont l’un des com-posants majeurs des réacteurs nucléaires, et une connaissanceapprofondie de leur comportement constitue un enjeu indus-triel important aussi bien pour le concepteur AREVA-NP quepour l’exploitant EDF. Une des problématiques rencontréespour le dimensionnement des GV concerne la vibration destubes induite par l’écoulement, ce qui nécessite une évalua-tion raisonnable de la réponse des tubes à l’excitation généréepar l’écoulement. La zone identifiée comme la plus critique estla région en U (partie haute du GV) où l’écoulement est dipha-sique avec un fort taux de vide et interagit plutôt transversa-lement avec les tubes. Afin d’évaluer les excitations généréessur les tubes par les fluctuations inhérentes à l’écoulement, lesparamètres physiques pertinents doivent être identifiés. Pourles écoulements monophasiques, il semble possible de relier lesefforts sur les structures tubulaires au niveau de turbulence del’écoulement à la fois en utilisant des méthodes de réductiondes données expérimentales mais également en utilisant desméthodes de simulations numériques. Pour les écoulementsdiphasiques, les forces induites sur les tubes par l’écoulementont a priori une autre origine et seraient plutôt liées aux contri-butions dynamiques de chaque phase ainsi qu’aux transfertsinterfaciaux. Néanmoins, les paramètres physiques pertinentsqui permettent de prévoir l’amplitude de ces forces restentlargement débattus (taux de vide, régime d’écoulement, etc.)et les mécanismes physiques mal compris. Pour étudier cesinstabilités vibratoires lorsque l’écoulement est diphasique, uncertain nombre d’expériences analytiques ont été et continuentà être menées au CEA. Ces expériences analytiques portentsur un tube isolé ou en faisceau, rigide ou flexible, et sur unelarge gamme de régimes d’écoulement (maquettes AMOVI etDIVA du CEA). Leur objectif est de caractériser ces instabili-tés vibratoires (mesure des forces exercées sur l’obstacle) enfonction de paramètres globaux de l’écoulement (débit gaz,débit liquide, taux de vide ”moyen”, etc.) mais aussi de cer-tains paramètres locaux (taux de vide local, taille des bulles,vitesse gaz, etc.). Ces paramètres mesurés ou estimés loca-lement sont ceux qui permettent d’obtenir les adimensionne-ments les plus pertinents à la fois sur les forces d’excitationsaléatoires (spectres d’excitation en diphasique sur tube rigide)et sur les forces de couplage fluide-élastiques (tube flexible seulpuis en faisceau). Il reste néanmoins une bande de dispersionsur les résultats obtenus, les mécanismes physiques sont malcompris et ces adimensionnements restent tributaires du choixde la localisation des mesures. L’objectif de la thèse est doncde mettre en oeuvre des simulations numériques avec suivid’interface dans des configurations proches de celles des ex-périences analytiques menées au CEA afin d’approfondir l’ana-lyse des phénomènes conduisant aux vibrations des tubes deGV.