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Chronic kidney disease (CKD), a condition defined by a gradual decline in kidney function over time, has become a global health concern affecting between 11 and 13% of the world population. As renal function declines, CKD patients gradually lose their ability to maintain normal values of potassium concentration ([K+]) in their blood. Elevated serum [K+], known as hyperkalemia, increases the risk for life-threatening arrhythmias and sudden cardiac death.An increase in serum [K+] outside the physiological range is commonly silent and is only detected when hyperkalemia is already very severe or when a blood test is performed. Maintenance and monitoring of [K+] in the blood is an important component in the treatment of CKD patients because therapies for hyperkalemia management in CKD patients are designed to prevent arrhythmias and to immediately lower serum [K+] to safe ranges. However, this is currently only possible by taking a blood sample and is associated with a long analysis time. Therefore it is useful to have a simple, noninvasive method to estimate serum [K+], particularly using the electrocardiogram (ECG). Indeed, variations in serum electrolyte levels have been shown to alter the electrical behavior of the heart and to induce changes in the ECG. However, large inter-individual variability exists in the relationship between ion concentrations and ECG features. Previous attempts to estimate serum [K+] from the ECG have therefore shown limitations, such as not being applicable to some common types of ECG waveforms or relying on specific ECG characteristics that may present large variations not necessarily associated with hyperkalemia.The aim of this thesis is to develop novel estimates of serum [K+] that are robust enough to detect hypokalemia (reduced [K+]) or hyperkalemia in a timely manner to provide life-saving treatment. Additionally, the effect of changes in other electrolyte levels, like calcium concentration ([Ca2+]), and in heart rate are investigated. These aims are achieved by combining novel ECG signal processing techniques with in silico modeling and simulation of cardiac electrophysiology.In conclusion, we identify several markers of ECG morphology, including depolarization and repolarization features, that are highly correlated with serum electrolyte (potassium and calcium) concentrations. ECG morphological variability markers vary significantly with [K+] and [Ca2+] in both simulated and measured ECGs, with a wide range of patterns observed for such relationships. The proportions of endocardial, midmyocardial and epicardial cells have a large impact on ECG markers, particularly for serum electrolyte concentrations out of their physiological levels. This suggests that transmural heterogeneities can modulate ECG responses to changes in electrolyte concentrations in CKD patients. Agreement between actual potassium and calcium levels and their estimates derived from the ECG is promising, with lower average errors than previously proposed markers in the literature. These findings can have major relevance for noninvasive monitoring of serum electrolyte levels and prediction of arrhythmic events in these patients.; L’insuffisance rénale chronique (IRC), caractérisée par un déclin graduel de la fonction rénale, est devenu un problème sanitaire important, affectant entre 11 et 13% de la population mondiale. Lorsque leur fonction rénale décline, les patients affectées d’IRC perdent graduellement leur capacité de maintenir une concentrations sanguine de potassium ([K+]) normale. Une [K+] sanguine élevée, nommée hyperkaliémie, augmente le risque d’arythmie cardiaque engageant le pronostic vital et de mort subite cardiaque.Une augmentation de la [K+] sanguine hors de sa plage physiologique reste le plus souvent inaper¸cue et n’est détectée que si elle est très sévère ou si un prélèvement sanguin est effectué. La maintenance et la surveillance de la [K+] sanguine est un élément important de la prise en charge des patients affectés d’IRC, les thérapies pour la maˆıtrise de l’hyperkaliémie dans ces patients visant la prévention des arythmies et la réduction immédiate de la [K+] vers des valeurs inoffensives. Cependant, de nos jours une telle surveillance n’est possible que par des prélèvements sanguins associées avec un temps d’analyse long. Il serait donc utile d’avoir une méthode simple et noninvasive pour l’estimation de la [K+], notamment en utilisant l’électrocardiogramme (ECG). En effet, il a été démontré que les variations des niveaux d’électrolytes dans le sérum sanguin modifient le comportement électrique du cœur et donc l’ECG. Malheureusement, la rélation entre les concentrations d’électrolytes et les caractéristiques de l’ECG est très variable d’une personne `a l’autre. Des travaux antérieurs ont donc montré des limitations, tels que l’exclusion de certains types d’ECG ou la dépendance sur des caractéristiques présentant une variabilité large et non nécessairement corrélée avec l’hyperkaliémie.L’objectif de cette thèse est de développer des nouveaux marqueurs de la [K+] sanguine suffisamment robustes pour détecter l’hypokaliémie ([K+] anormalement bas) et l’hyperkaliémie assez rapidement pour permettre des interventions potentiellement salvateures. En plus, les effets de changements d’autres concentrations d’électrolytes, tels que le calcium ([Ca2+]) et de la fréquence cardiaque sont étudiés. Ces objectifs sont atteints en combinant des nouvelles techniques de traitement de signal avec la modélisation in silico de l’électrophysiologie cardiaque.En conclusion, nous identifions plusieurs marqueurs morphologiques de l’ECG, incluant des caractéristiques de dépolarisation et de repolarisation, qui sont fortement corrélées avec [K+] et [Ca2+]. Cette corrélation est présente aussi bien dans les ECGs simulées que dans les ECGs mesurées, avec une gamme de morphologies telle qu’observée chez les patients. Les proportions de cellules de type endocardique, mi-myocardique, et épicardique ont un effet important sur les marqueurs de l’ECG, particulièrement pour des concentrations électrolytiques hors de leurs plages physiologiques. Cette observation suggère que ces hétérogénéités peuvent moduler la réponse de l’ECG aux changements des concentrations électrolytiques chez des patients atteints d’IRC. La concordance entre les concentrations estimées et celles mesurées est prometteuse, avec des erreurs moyennes moins grands que celles obtenues avec les méthodes de la littérature. Ces résultats peuvent avoir une grande importance pour la surveillance noninvasive des concentrations d’électrolytes dans le sang et pour la prévision d’arythmies chez les patients atteints d’IRC.

National audience; Avec la prise de conscience croissante de l'urgence climatique nous pouvons observer une frénésie à la quantification carbone de la moindre action individuel. Le domaine du calcul intensif n'échappe pas à ce constat, que ce soit pour quantifier les impacts liés à une publication, un projet, un laboratoire, ou autre. Au travers cet exposé nous commencerons par décortiquer la fabrication de ces indicateurs pour mieux comprendre ce qu'ils nous révèlent de la réalité et au contraire ce qu'ils cachent. Cet analyse nous permettra de mettre en lumière de mauvaises interprétations fréquemment réalisées dont certaines conduisent à des situations paradoxales, voire même à des actions contre productives. Enfin, je partagerais quelques pistes pour ce prémunir de ces biais.

This work is part of a family of European projects called Mont-Blanc whose objective is to develop the next generation of Exascale systems. It addresses specifically the issue of energy efficiency, at micro-architectural level first by considering the use of 64-bit Armv8-A based compute nodes and an associated relevant SoC topology, and examine also the runtime aspects with notably the study of power management strategies that can be better suited to the constraints of HPC highly parallel processing. A design space exploration methodology capable of supporting the simulation of large manycore computing clusters is developped and lead to propose, design and evaluate multi-SoC and their associated SoC Coherent Interconnect models (SCI). This approach is then used to define a pre-exascale architecture allowing to globally reduce the complexity and cost of chip developments without sacrifying performances. The resulting partitioning scheme introduces interesting perspectives at technology level such as the integration of more compute nodes directly on an interposer based System-in-Package (SiP), possibly based on 3D Through Silicon Vias (TSVs) using High Memory Bandwidth (HBM). Energy efficiency is addressed more directly in second instance by studying current power management policies and proposing two strategies to help reducing power while preserving performances. The first one exploits finer application execution knowledge to adjust the frequency of extensive parallel threads and better balance their execution time. The second strategy reduces core frequencies at synchronisation points of jobs to avoid running the cores at full speed while it is not necessary. Experiment results with these strategies, both in simulation and real hardware, show the possibilities offered par this approach to address the strong requirements of Exascale platforms.; Ce travail s’inscrit dans le cadre de la famille de projets Européens Mont-Blanc dont l’objectif est de développer la prochaine génération de systèmes Exascale. Il s’intéresse particulièrement à la question de l’efficacité énergétique, d’abord au niveau micro-architectural en considérant l’utilisation de nœuds de calcul basés sur l’Armv8-A 64-bit associée à une topologie SoC pertinente, puis en examinant les aspects exécutifs notamment par une étude de stratégies de gestion énergétique (power management) mieux adaptées à des contraintes de traitement massivement parallèle. Une méthodologie d’exploration architecturale capable de supporter la simulation de larges clusters de calcul parallèle est définie et exploitée pour proposer, développer et évaluer des modèles multi-SoC et de réseaux de communication associés (SoC Coherent Interconnect, SCI). Cette démarche est ensuite poursuivie pour définir une architecture Exascale permettant de réduire globalement la complexité et les coûts de développement en dégradant le moins possible les performances. Le partitionnement de la puce permet ainsi des possibilités intéressantes au niveau technologique telles que l’intégration de nœuds supplémentaires basée sur des technologies System-in-Package (interposer), ou 3D Through Silicon Vias (TSVs) et High Memory Bandwidth (HBM). En second lieu, les aspects énergétiques sont abordés plus directement par l’étude de politiques de gestion énergétique existantes et en proposant deux stratégies pour permettre réduire la consommation en préservant les performance. La première exploite une perception applicative plus fine pour ajuster la fréquence de nombreuses tâches parallèles et mieux équilibrer leurs temps d’exécution. La seconde stratégie réduit la fréquence des coeurs aux points de synchronisation des tâches pour limiter les fonctionnements inutiles à pleine puissance. Les résultats d’expérimentation obtenus avec ces stratégies, à la fois en simulation et sur plateforme réelle, montrent les possibilités offertes par cette approche pour répondre aux fortes contraintes des plateformes pre-exascale sur le plan énergétique.

This work is part of a family of European projects called Mont-Blanc whose objective is to develop the next generation of Exascale systems. It addresses specifically the issue of energy efficiency, at micro-architectural level first by considering the use of 64-bit Armv8-A based compute nodes and an associated relevant SoC topology, and examine also the runtime aspects with notably the study of power management strategies that can be better suited to the constraints of HPC highly parallel processing. A design space exploration methodology capable of supporting the simulation of large manycore computing clusters is developped and lead to propose, design and evaluate multi-SoC and their associated SoC Coherent Interconnect models (SCI). This approach is then used to define a pre-exascale architecture allowing to globally reduce the complexity and cost of chip developments without sacrifying performances. The resulting partitioning scheme introduces interesting perspectives at technology level such as the integration of more compute nodes directly on an interposer based System-in-Package (SiP), possibly based on 3D Through Silicon Vias (TSVs) using High Memory Bandwidth (HBM). Energy efficiency is addressed more directly in second instance by studying current power management policies and proposing two strategies to help reducing power while preserving performances. The first one exploits finer application execution knowledge to adjust the frequency of extensive parallel threads and better balance their execution time. The second strategy reduces core frequencies at synchronisation points of jobs to avoid running the cores at full speed while it is not necessary. Experiment results with these strategies, both in simulation and real hardware, show the possibilities offered par this approach to address the strong requirements of Exascale platforms.; Ce travail s’inscrit dans le cadre de la famille de projets Européens Mont-Blanc dont l’objectif est de développer la prochaine génération de systèmes Exascale. Il s’intéresse particulièrement à la question de l’efficacité énergétique, d’abord au niveau micro-architectural en considérant l’utilisation de nœuds de calcul basés sur l’Armv8-A 64-bit associée à une topologie SoC pertinente, puis en examinant les aspects exécutifs notamment par une étude de stratégies de gestion énergétique (power management) mieux adaptées à des contraintes de traitement massivement parallèle. Une méthodologie d’exploration architecturale capable de supporter la simulation de larges clusters de calcul parallèle est définie et exploitée pour proposer, développer et évaluer des modèles multi-SoC et de réseaux de communication associés (SoC Coherent Interconnect, SCI). Cette démarche est ensuite poursuivie pour définir une architecture Exascale permettant de réduire globalement la complexité et les coûts de développement en dégradant le moins possible les performances. Le partitionnement de la puce permet ainsi des possibilités intéressantes au niveau technologique telles que l’intégration de nœuds supplémentaires basée sur des technologies System-in-Package (interposer), ou 3D Through Silicon Vias (TSVs) et High Memory Bandwidth (HBM). En second lieu, les aspects énergétiques sont abordés plus directement par l’étude de politiques de gestion énergétique existantes et en proposant deux stratégies pour permettre réduire la consommation en préservant les performance. La première exploite une perception applicative plus fine pour ajuster la fréquence de nombreuses tâches parallèles et mieux équilibrer leurs temps d’exécution. La seconde stratégie réduit la fréquence des coeurs aux points de synchronisation des tâches pour limiter les fonctionnements inutiles à pleine puissance. Les résultats d’expérimentation obtenus avec ces stratégies, à la fois en simulation et sur plateforme réelle, montrent les possibilités offertes par cette approche pour répondre aux fortes contraintes des plateformes pre-exascale sur le plan énergétique.

Dislocation dynamics simulations investigate the behavior of linear defects, called dislocations, in crystalline materials. It is an essential part multiscale modelling of the materials, used for instance in the nuclear industry to characterize the behavior and aging of materials under irradiation. The ability of dislocations to multiply, annihilate and interact presents many challenges, for instance in terms of storage and access to data. This thesis addresses some challenges of dislocation dynamics simulation on parallel and distributed computers. In this thesis, I improve the Optidis simulator to open the way to more complex simulations. My contributions focuses mainly on improving the reliability and performance of Optidis. A new interface to access simulation data is proposed to dissociate its implementation form the physical algorithms. This data structure allows better performance as well as better code maintainability, even with distributed data. A new fast and reliable collision detection and handling algorithm has been implemented. Collision detection techniques from the robotics and 3D animation industries are used to speedup the detection process. With the use of the new data structure and a more reliable design, this algorithm enables more precise collision handling and the use of a larger simulation timestep. The precision of the results have been measured by comparing Optidis to Numodis. The performance of the code has been studied on larger scale simulations with millions of segments and hundreds of CPU cores, demonstrating that such simulations can now be achieved., La Dynamique des Dislocations modélise le comportement de défauts linéiques - les dislocations - présents dans la structure des matériaux cristallins. Il s'agit d'un maillon essentiel de la modélisation multi-échelles des matériaux utilisé par exemple dans l’industrie du nucléaire pour caractériser le comportement mécanique et le vieillissement des matériaux sous irradiation. La capacité des dislocations à se multiplier, s’annihiler et interagir pose de nombreux défis informatiques, notamment sur la manière de stocker et traiter de manière efficace les données de la simulation. L'objectif de cette thèse est de répondre à ces défis que posent les simulations massives de Dynamique des Dislocations dans un environnement parallèle et distribué au travers du logiciel Optidis. Dans cette thèse, je propose des améliorations au simulateur Optidis afin de permettre des simulations plus complexes en utilisant la puissance des super-calculateurs. Mes contributions sont axées sur l'amélioration de la fiabilité et de la performance d'Optidis. La mise en place d'une nouvelle interface d'accès aux données a permis de dissocier l'implémentation des algorithmes de l'optimisation des performances. Cette structure de données permet de meilleures performances tout en améliorant la maintenabilité du code, même lorsque les données sont distribuées. Un nouvel algorithme de gestion des collisions entre dislocations et de formation des jonctions fiable et performant a été mis en place. Des techniques de détection de collision empruntées aux application en temps réel et à la dynamique moléculaire sont utilisées pour accélérer le calcul. S’appuyant sur l’utilisation de la nouvelle structure de données et un traitement des collisions plus élaboré, il permet une gestion de collisions fiable et autorise l'utilisation de pas de temps plus grands. La précision du résultat a été étudiée en se comparant au code NUMODIS, et la performance d'Optidis a été mesurée sur des simulations massives contenant plusieurs millions de segments de dislocations en utilisant plusieurs centaines de cœurs de calcul, démontrant que de telles simulations sont réalisables en un temps raisonnable.

We consider direct methods to solve sparse linear systems AX = B, where A is a sparse matrix of size n x n with a symmetric structure and X and B are respectively the solution and right-hand side matrices of size n x nrhs. A is usually factorized and decomposed in the form LU, where L and U are respectively a lower and an upper triangular matrix. Then, the solve phase is applied through two triangular resolutions, named respectively the forward and backward substitutions.For some applications, the very large number of right-hand sides (RHS) in B, nrhs >> 1, makes the solve phase the computational bottleneck. However, B is often sparse and its structure exhibits specific characteristics that may be efficiently exploited to reduce this cost. We propose in this thesis to study the impact of the exploitation of this structural sparsity during the solve phase going through its theoretical aspects down to its actual implications on real-life applications.First, we investigate the asymptotic complexity, in the big-O sense, of the forward substitution when exploiting the RHS sparsity in order to assess its efficiency when increasing the problem size. In particular, we study on 2D and 3D regular problems the asymptotic complexity both for traditional full-rank unstructured solvers and for the case when low-rank approximation is exploited. Next, we extend state-of-the-art algorithms on the exploitation of RHS sparsity, and also propose an original approach converging toward the optimal number of operations while preserving performance. Finally, we show the impact of the exploitation of sparsity in a real-life electromagnetism application in geophysics that requires the solution of sparse systems of linear equations with a large number of sparse right-hand sides. We also adapt the parallel algorithms that were designed for the factorization to solve-oriented algorithms.We validate and combine the previous improvements using the parallel solver MUMPS, conclude on the contributions of this thesis and give some perspectives.; Cette thèse se concentre sur la résolution de systèmes linéaires creux dans le contexte d’applications massivement parallèles. Ce type de problèmes s’exprime sous la forme AX=B, où A est une matrice creuse d’ordre n x n, i.e. qui possède un nombre d’entrées nulles suffisamment élevé pour pouvoir être exploité, et B et X sont respectivement la matrice de seconds membres et la matrice de solution de taille n x nrhs. Cette résolution par des méthodes dites directes est effectuée grâce à une étape de factorisation qui réduit A en deux matrices triangulaires inférieure et supérieure L et U, suivie de deux résolutions triangulaires pour calculer la solution.Nous nous intéressons à ces résolutions avec une attention particulière apportée à la première, LY=B. Dans beaucoup d’applications, B possède un grand nombre de colonnes (nrhs >> 1) transformant la phase de résolution en un goulot d’étranglement. Elle possède souvent aussi une structure creuse, donnant l’opportunité de réduire la complexité de cette étape.Cette étude aborde sous des angles complémentaires la résolution triangulaire de systèmes linéaires avec seconds membres multiples et creux. Nous étudions dans un premier temps la complexité asymptotique de cette étape dans différents contextes (2D, 3D, facteurs compressés ou non). Nous considérons ensuite l’exploitation de cette structure et présentons de nouvelles approches s’appuyant sur une modélisation du problème par des graphes qui permettent d’atteindre efficacement le nombre minimal d’opérations. Enfin, nous donnons une interprétation concrète de son exploitation sur une application d’électromagnétisme pour la géophysique. Nous adaptons aussi des algorithmes parallèles aux spécificités de la phase de résolution.Nous concluons en combinant l'ensemble des résultats précédents et en discutant des perspectives de ce travail.

International audience; In this paper we consider large scale nonlinear least-squares problems for which function and gradient are evaluated with dynamic accuracy and propose a Levenberg-Marquardt method for solving such problems. More precisely, we consider the case in which the exact function to optimize is not available or its evaluation is computationally demanding, but approximations of it are available at any prescribed accuracy level. The proposed method relies on a control of the accuracy level, and imposes an improvement of function approximations when the accuracy is detected to be too low to proceed with the optimization process. We prove global and local convergence and complexity of our procedure and show encouraging numerical results on test problems arising in data assimilation and machine learning.

The tropical thunderstorms play an uncertain role in the transport of tropospheric air into the stratosphere, limiting our capability to predict the future climate. The transport by the thunderstorms may be underestimated by the climate models, due to their coarse resolutions. The efficiency of this transport is analysed using numerical simulations of the thunderstorm Hector the Convector with resolutions down to 100 m, the finest ever used for a case of very deep convection. The overshoots, that were observed at its top at 18 km altitude, are captured and the net hydration of the stratosphere is quantified. The contribution of the tropical thunderstorms to the water flux from the troposphere to the stratosphere is then estimated to about 20 %. The almost convergence at 200 m and 100 m suggests that such resolutions are necessary to correctly represent the updafts. The individual analysis of the updrafts indicates that the two tallest contribute beyond 90 % of the mass flux into the stratosphere. They are larger, more vigorous and contain more water than the tallest updrafts one hour before and one hour after, and their convective core was weakly diluted. The supply from the surface by the convergence lines, intensified by the cold pools, and the weak dilution of the two tallest updrafts are determinant for the development of very deep convection. The isentropic analysis of the overturning inside Hector confirms the mass flux computed with the updrafts analysis. It corrects the estimate in the lower troposphere by taking into account the turbulent flux, and in the upper troposphere by filtering out the gravity waves. It highlights the importance of the latent heating due to freezing in the two tallest updrafts during the phase of overshoot in the stratosphere.; Les orages tropicaux jouent un rôle incertain dans le transport de l'air troposphérique dans la stratosphère limitant notre capacité à prévoir le climat futur. Le transport par les orages pourrait en effet être sous-estimé dans les modèles de climat aux résolutions trop grossières. L'efficacité de ce transport est analysée à partir de simulations numériques de l'orage Hector the Convector jusqu'à une résolution de 100 m, la plus fine jamais utilisée pour un cas de convection très profonde. Les percées nuageuses, qui avaient été observées à son sommet à 18 km d'altitude, sont reproduites et l'hydratation nette de la stratosphère est quantifiée. La contribution des orages tropicaux au flux d'eau de la troposphère à la stratosphère est ainsi estimée à près de 20 %. La quasi-convergence aux résolutions de 200 m et 100 m suggère que de telles résolutions sont nécessaires pour représenter correctement les ascendances. L'analyse individuelle des ascendances indique que les deux plus grandes contribuent à plus de 90 % du flux de masse vers la basse stratosphère. Elles sont plus larges, plus puissantes et contiennent plus d'eau que les plus grandes ascendances une heure avant et une heure après, et leur cœur convectif apparaît très peu dilué. L'alimentation en surface par des lignes de convergence intensifiées par des poches froides et la faible dilution des deux plus grandes ascendances sont déterminantes dans l'apparition de la convection très profonde. L'analyse isentropique de la circulation générale dans Hector confirme le flux de masse calculé par l'analyse des ascendances. Elle le corrige dans les basses couches en prenant en compte les flux turbulents, et en haute troposphère en filtrant les ondes de gravité. Elle met en évidence l'importance du dégagement de chaleur latente dû à la congélation dans les plus grandes ascendances pendant la phase de percée en stratosphère.

The tropical thunderstorms play an uncertain role in the transport of tropospheric air into the stratosphere, limiting our capability to predict the future climate. The transport by the thunderstorms may be underestimated by the climate models, due to their coarse resolutions. The efficiency of this transport is analysed using numerical simulations of the thunderstorm Hector the Convector with resolutions down to 100 m, the finest ever used for a case of very deep convection. The overshoots, that were observed at its top at 18 km altitude, are captured and the net hydration of the stratosphere is quantified. The contribution of the tropical thunderstorms to the water flux from the troposphere to the stratosphere is then estimated to about 20 %. The almost convergence at 200 m and 100 m suggests that such resolutions are necessary to correctly represent the updafts. The individual analysis of the updrafts indicates that the two tallest contribute beyond 90 % of the mass flux into the stratosphere. They are larger, more vigorous and contain more water than the tallest updrafts one hour before and one hour after, and their convective core was weakly diluted. The supply from the surface by the convergence lines, intensified by the cold pools, and the weak dilution of the two tallest updrafts are determinant for the development of very deep convection. The isentropic analysis of the overturning inside Hector confirms the mass flux computed with the updrafts analysis. It corrects the estimate in the lower troposphere by taking into account the turbulent flux, and in the upper troposphere by filtering out the gravity waves. It highlights the importance of the latent heating due to freezing in the two tallest updrafts during the phase of overshoot in the stratosphere.; Les orages tropicaux jouent un rôle incertain dans le transport de l'air troposphérique dans la stratosphère limitant notre capacité à prévoir le climat futur. Le transport par les orages pourrait en effet être sous-estimé dans les modèles de climat aux résolutions trop grossières. L'efficacité de ce transport est analysée à partir de simulations numériques de l'orage Hector the Convector jusqu'à une résolution de 100 m, la plus fine jamais utilisée pour un cas de convection très profonde. Les percées nuageuses, qui avaient été observées à son sommet à 18 km d'altitude, sont reproduites et l'hydratation nette de la stratosphère est quantifiée. La contribution des orages tropicaux au flux d'eau de la troposphère à la stratosphère est ainsi estimée à près de 20 %. La quasi-convergence aux résolutions de 200 m et 100 m suggère que de telles résolutions sont nécessaires pour représenter correctement les ascendances. L'analyse individuelle des ascendances indique que les deux plus grandes contribuent à plus de 90 % du flux de masse vers la basse stratosphère. Elles sont plus larges, plus puissantes et contiennent plus d'eau que les plus grandes ascendances une heure avant et une heure après, et leur cœur convectif apparaît très peu dilué. L'alimentation en surface par des lignes de convergence intensifiées par des poches froides et la faible dilution des deux plus grandes ascendances sont déterminantes dans l'apparition de la convection très profonde. L'analyse isentropique de la circulation générale dans Hector confirme le flux de masse calculé par l'analyse des ascendances. Elle le corrige dans les basses couches en prenant en compte les flux turbulents, et en haute troposphère en filtrant les ondes de gravité. Elle met en évidence l'importance du dégagement de chaleur latente dû à la congélation dans les plus grandes ascendances pendant la phase de percée en stratosphère.

As part of an Open Science initiative, we are particularly interested in the scientific Workflow Management Systems (WfMS) and their applications for intensive data analysis in bioinformatics. We start from the assumption that WfMS can evolve to become efficient hubs able to speed up the development and the dissemination of innovative analysis methods. These software platforms could rally and unite not only the current stakeholders, who are service consumers, but also the service producers, around a disciplinary theme. We therefore consider that these environments must be both adapted to the practices of the scientists who are method designers and also enhanced with increased productivity during design and treatment. These constraints lead us to study the rapid capture of workflows, the simplification of technical tasks integration, like parallelisation and the deployment customization. First, we define an expressive graphic worfklow language, adapted to the quick capture of workflows. This is interpreted by a workflow engine based on a new model of computation with high performances obtained by the use of multiple levels of parallelism. Then, we present a Model-Driven design approach that facilitates the data parallelism generation and the production of suitable implementations for different execution contexts. We describe in particular the integration of a components and platforms meta-model used to automate the configuration of workflows’ dependencies. Finally, in the case of the cloud model Container as a Service (CaaS), we develop a workflow specification intrinsically re-executable and readily disseminatable. The adoption of this kind of model could lead to an acceleration of exchanges and a better availability of data analysis workflows.; Dans le cadre d'une démarche d'Open science, nous nous intéressons aux systèmes de gestion de workflows (WfMS) scientifiques et à leurs applications pour l'analyse de données intensive en bioinformatique. Nous partons de l'hypothèse que les WfMS peuvent évoluer pour devenir des plates-formes pivots capables d'accélérer la mise au point et la diffusion de méthodes d'analyses innovantes. Elles pourraient capter et fédérer autour d'une thématique disciplinaire non seulement le public actuel des consommateurs de services mais aussi celui des producteurs de services. Pour cela, nous considérons que ces environnements doivent à la fois être adaptés aux pratiques des scientifiques concepteurs de méthodes et fournir un gain de productivité durant la conception et le traitement. Ces contraintes nous amènent à étudier la capture rapide des workflows, la simplification de l'intégration des tâches techniques, comme le parallélisme nécessaire au haut-débit, et la personnalisation du déploiement. Tout d'abord, nous avons défini un langage graphique DataFlow expressif, adapté à la capture rapide des workflows. Celui-ci est interprétable par un moteur de workflows basé sur un nouveau modèle de calcul doté de performances élevées, obtenues par l'exploitation des multiples niveaux de parallélisme. Nous présentons ensuite une approche de conception orientée modèle qui facilite la génération du parallélisme de données et la production d'implémentations adaptées à différents contextes d'exécution. Nous décrivons notamment l'intégration d'un métamodèle des composants et des plates-formes, employé pour automatiser la configuration des dépendances des workflows. Enfin, dans le cas du modèle Container as a Service (CaaS), nous avons élaboré une spécification de workflows intrinsèquement diffusable et ré-exécutable. L'adoption de ce type de modèle pourrait déboucher sur une accélération des échanges et de la mise à disposition des chaînes de traitements d'analyse de données.

Today, Cloud Networking is one of the recent research areas within the Cloud Computing research communities. The main challenges of Cloud Networking concern Quality of Service (QoS) and security guarantee as well as its management in conformance with a corresponding Service Level Agreement (SLA). In this thesis, we propose a framework for resource allocation according to an end-to-end SLA established between a Cloud Service User (CSU) and several Cloud Service Providers (CSPs) within a Cloud Networking environment (Inter-Cloud Broker and Federation architectures). We focus on NaaS and IaaS Cloud services. Then, we propose the self-establishing of several kinds of SLAs and the self-management of the corresponding Cloud resources in conformance with these SLAs using specific autonomic cloud managers. In addition, we extend the proposed architectures and the corresponding SLAs in order to deliver a service level taking into account security guarantee. Moreover, we allow autonomic cloud managers to expand the self-management objectives to security functions (self-protection) while studying the impact of the proposed security on QoS guarantee. Finally, our proposed architecture is validated by different simulation scenarios. We consider, within these simulations, videoconferencing and intensive computing applications in order to provide them with QoS and security guarantee in a Cloud self-management environment. The obtained results show that our contributions enable good performances for these applications. In particular, we observe that the Broker architecture is the most economical while ensuring QoS and security requirements. In addition, we observe that Cloud self-management enables violations and penalties’ reduction as well as limiting security impact on QoS guarantee.; De nos jours, le Cloud Networking est considéré comme étant l'un des domaines de recherche innovants au sein de la communauté de recherche du Cloud Computing. Les principaux défis dans un environnement de Cloud Networking concernent non seulement la garantie de qualité de service (QoS) et de sécurité mais aussi sa gestion en conformité avec un accord de niveau de service (SLA) correspondant. Dans cette thèse, nous proposons un Framework pour l'allocation des ressources conformément à un SLA établi de bout en bout entre un utilisateur de services Cloud (CSU) et plusieurs fournisseurs de services Cloud (CSP) dans un environnement de Cloud Networking (architectures d’inter-Cloud Broker et Fédération). Nos travaux se concentrent sur les services Cloud de types NaaS et IaaS. Ainsi, nous proposons l'auto-établissement de plusieurs types de SLA ainsi que la gestion autonome des ressources de Cloud correspondantes en conformité avec ces SLA en utilisant des gestionnaires autonomes spécifiques de Cloud. De plus, nous étendons les architectures et les SLA proposés pour offrir un niveau de service intégrant une garantie de sécurité. Ainsi, nous permettons aux gestionnaires autonomes de Cloud d'élargir leurs objectifs de gestion autonome aux fonctions de sécurité (auto-protection) tout en étudiant l'impact de la sécurité proposée sur la garantie de QoS. Enfin, nous validons notre architecture avec différents scénarios de simulation. Nous considérons dans le cadre de ces simulations des applications de vidéoconférence et de calcul intensif afin de leur fournir une garantie de QoS et de sécurité dans un environnement de gestion autonome des ressources du Cloud. Les résultats obtenus montrent que nos contributions permettent de bonnes performances pour ce type d’applications. En particulier, nous observons que l'architecture de type Broker est la plus économique, tout en assurant les exigences de QoS et de sécurité. De plus, nous observons que la gestion autonome des ressources du Cloud permet la réduction des violations, des pénalités et limite l'impact de la sécurité sur la garantie de la QoS.

National audience; La mutualisation est au coeur du développement du mésocentre CIMENT, elle se traduit par la mise en commun des plateformes matérielles et une homogénéisation forte des politiques d'administration. De plus, un soutien important est apporté aux développements de la pile logicielle pour l'exploitation de l'infrastructure. Ces deux approches permettent ensemble d'apporter des solutions particulièrement adaptées aux besoins des communautés d'utilisateurs en leur offrant un soutien de proximité. Parmi les logiciels mis en place pour l'exploitation de l'infrastructure du mésocentre, 3 logiciels clés sont développés ou co-developpés par les ingénieurs CIMENT

The complexity of CPUs has increased considerably since their beginnings, introducing mechanisms such as register renaming, out-of-order execution, vectorization,prefetchers and multi-core environments to keep performance rising with each product generation. However, so has the difficulty in making proper use of all these mechanisms, or even evaluating whether one’s program makes good use of a machine,whether users’ needs match a CPU’s design, or, for CPU architects, knowing how each feature really affects customers.This thesis focuses on increasing the observability of potential bottlenecks inHPC computational loops and how they relate to each other in modern microarchitectures.We will first introduce a framework combining CQA and DECAN (respectively static and dynamic analysis tools) to get detailed performance metrics on smallcodelets in various execution scenarios.We will then present PAMDA, a performance analysis methodology leveraging elements obtained from codelet analysis to detect potential performance problems in HPC applications and help resolve them. A work extending the Cape linear model to better cover Sandy Bridge and give it more flexibility for HW/SW codesign purposes will also be described. It will bedirectly used in VP3, a tool evaluating the performance gains vectorizing loops could provide.Finally, we will describe UFS, an approach combining static analysis and cycle accurate simulation to very quickly estimate a loop’s execution time while accounting for out-of-order limitations in modern CPUs; La complexité des CPUs s’est accrue considérablement depuis leurs débuts, introduisant des mécanismes comme le renommage de registres, l’exécution dans le désordre, la vectorisation, les préfetchers et les environnements multi-coeurs pour améliorer les performances avec chaque nouvelle génération de processeurs. Cependant, la difficulté a suivi la même tendance pour ce qui est a) d’utiliser ces mêmes mécanismes à leur plein potentiel, b) d’évaluer si un programme utilise une machine correctement, ou c) de savoir si le design d’un processeur répond bien aux besoins des utilisateurs.Cette thèse porte sur l’amélioration de l’observabilité des facteurs limitants dans les boucles de calcul intensif, ainsi que leurs interactions au sein de microarchitectures modernes.Nous introduirons d’abord un framework combinant CQA et DECAN (des outils d’analyse respectivement statique et dynamique) pour obtenir des métriques détaillées de performance sur des petits codelets et dans divers scénarios d’exécution.Nous présenterons ensuite PAMDA, une méthodologie d’analyse de performance tirant partie de l’analyse de codelets pour détecter d’éventuels problèmes de performance dans des applications de calcul à haute performance et en guider la résolution.Un travail permettant au modèle linéaire Cape de couvrir la microarchitecture Sandy Bridge de façon détaillée sera décrit, lui donnant plus de flexibilité pour effectuer du codesign matériel / logiciel. Il sera mis en pratique dans VP3, un outil évaluant les gains de performance atteignables en vectorisant des boucles.Nous décrirons finalement UFS, une approche combinant analyse statique et simulation au cycle près pour permettre l’estimation rapide du temps d’exécution d’une boucle en prenant en compte certaines des limites de l’exécution en désordre dans des microarchitectures modernes

Support teams of high-performance computing (HPC) systems often find themselves between a rock and a hard place: on one hand, they understandably administrate these large systems in a conservative way, but on the other hand, they try to satisfy their users by deploying up-to-date tool chains as well as libraries and scientific software. HPC system users often have no guarantee that they will be able to reproduce results at a later point in time, even on the same system-software may have been upgraded, removed, or recompiled under their feet, and they have little hope of being able to reproduce the same software environment elsewhere. We present GNU Guix and the functional package management paradigm and show how it can improve reproducibility and sharing among researchers with representative use cases., Comment: 2nd International Workshop on Reproducibility in Parallel Computing (RepPar), Aug 2015, Vienne, Austria. http://reppar.org/

As part of an Open Science initiative, we are particularly interested in the scientific Workflow Management Systems (WfMS) and their applications for intensive data analysis in bioinformatics. We start from the assumption that WfMS can evolve to become efficient hubs able to speed up the development and the dissemination of innovative analysis methods. These software platforms could rally and unite not only the current stakeholders, who are service consumers, but also the service producers, around a disciplinary theme. We therefore consider that these environments must be both adapted to the practices of the scientists who are method designers and also enhanced with increased productivity during design and treatment. These constraints lead us to study the rapid capture of workflows, the simplification of technical tasks integration, like parallelisation and the deployment customization. First, we define an expressive graphic worfklow language, adapted to the quick capture of workflows. This is interpreted by a workflow engine based on a new model of computation with high performances obtained by the use of multiple levels of parallelism. Then, we present a Model-Driven design approach that facilitates the data parallelism generation and the production of suitable implementations for different execution contexts. We describe in particular the integration of a components and platforms meta-model used to automate the configuration of workflows’ dependencies. Finally, in the case of the cloud model Container as a Service (CaaS), we develop a workflow specification intrinsically re-executable and readily disseminatable. The adoption of this kind of model could lead to an acceleration of exchanges and a better availability of data analysis workflows., Dans le cadre d'une démarche d'Open science, nous nous intéressons aux systèmes de gestion de workflows (WfMS) scientifiques et à leurs applications pour l'analyse de données intensive en bioinformatique. Nous partons de l'hypothèse que les WfMS peuvent évoluer pour devenir des plates-formes pivots capables d'accélérer la mise au point et la diffusion de méthodes d'analyses innovantes. Elles pourraient capter et fédérer autour d'une thématique disciplinaire non seulement le public actuel des consommateurs de services mais aussi celui des producteurs de services. Pour cela, nous considérons que ces environnements doivent à la fois être adaptés aux pratiques des scientifiques concepteurs de méthodes et fournir un gain de productivité durant la conception et le traitement. Ces contraintes nous amènent à étudier la capture rapide des workflows, la simplification de l'intégration des tâches techniques, comme le parallélisme nécessaire au haut-débit, et la personnalisation du déploiement. Tout d'abord, nous avons défini un langage graphique DataFlow expressif, adapté à la capture rapide des workflows. Celui-ci est interprétable par un moteur de workflows basé sur un nouveau modèle de calcul doté de performances élevées, obtenues par l'exploitation des multiples niveaux de parallélisme. Nous présentons ensuite une approche de conception orientée modèle qui facilite la génération du parallélisme de données et la production d'implémentations adaptées à différents contextes d'exécution. Nous décrivons notamment l'intégration d'un métamodèle des composants et des plates-formes, employé pour automatiser la configuration des dépendances des workflows. Enfin, dans le cas du modèle Container as a Service (CaaS), nous avons élaboré une spécification de workflows intrinsèquement diffusable et ré-exécutable. L'adoption de ce type de modèle pourrait déboucher sur une accélération des échanges et de la mise à disposition des chaînes de traitements d'analyse de données.

In the exascale race, supercomputer architectures are evolving towards massively multicore nodes with hierarchical memory structures and equipped with larger vectorization registers. These trends tend to make MPI-only applications less effective, and now require programmers to explicitly manage low-level elements to get decent performance.In the context of Molecular Dynamics (MD) applied to condensed matter physics, the need for a better understanding of materials behaviour under extreme conditions involves simulations of ever larger systems, on tens of thousands of cores. This will put molecular dynamics codes among software that are very likely to meet serious difficulties when it comes to fully exploit the performance of next generation processors.This thesis proposes the design and implementation of a high-performance, flexible and scalable framework dedicated to the simulation of large scale MD systems on future supercomputers. We managed to separate numerical modules from different expressions of parallelism, allowing developers not to care about optimizations and still obtain high levels of performance. Our architecture is organized in three levels of parallelism: domain decomposition using MPI, thread parallelization within each domain, and explicit vectorization. We also included a dynamic load balancing capability in order to equally share the workload among domains.Results on simple tests show excellent sequential performance and a quasi linear speedup on several thousands of cores on various architectures. When applied to production simulations, we report an acceleration up to a factor 30 compared to the code previously used by CEA’s researchers., Dans la course vers l’exascale, les architectures des supercalculateurs évoluent vers des nœuds massivement multicœurs, sur lesquels les accès mémoire sont non-uniformes et les registres de vectorisation toujours plus grands. Ces évolutions entraînent une baisse de l’efficacité des applications homogènes (MPI simple), et imposent aux développeurs l’utilisation de fonctionnalités de bas-niveau afin d’obtenir de bonnes performances.Dans le contexte de la dynamique moléculaire (DM) appliqué à la physique de la matière condensée, les études du comportement des matériaux dans des conditions extrêmes requièrent la simulation de systèmes toujours plus grands avec une physique de plus en plus complexe. L’adaptation des codes de DM aux architectures exaflopiques est donc un enjeu essentiel.Cette thèse propose la conception et l’implémentation d’une plateforme dédiée à la simulation de très grands systèmes de DM sur les futurs supercalculateurs. Notre architecture s’organise autour de trois niveaux de parallélisme: décomposition de domaine avec MPI, du multithreading massif sur chaque domaine et un système de vectorisation explicite. Nous avons également inclus une capacité d’équilibrage dynamique de charge de calcul. La conception orienté objet a été particulièrement étudiée afin de préserver un niveau de programmation utilisable par des physiciens sans altérer les performances.Les premiers résultats montrent d’excellentes performances séquentielles, ainsi qu’une accélération quasi-linéaire sur plusieurs dizaines de milliers de cœurs. En production, nous constatons une accélération jusqu’à un facteur 30 par rapport au code utilisé actuellement par les chercheurs du CEA.

This thesis deals with two major issues in the computer security field. The first is enhancing the security of Linux systems for scientific computation, the second is the protection of Windows workstations. In order to strengthen the security and measure the performances, we offer a common method for the distributed observation of system calls. It relies on reference monitors to ensure confidentiality and integrity. Our solution uses specific high performance computing technologies to lower the communication latencies between the SELinux and PIGA monitors. Benchmarks study the integration of these distributed monitors in the scientific computation. Regarding workstation security, we propose a new reference monitor implementing state of the art protection models from Linux and simplifying administration. We present how to use our monitor to analyze the behavior of malware. This analysis enables an advanced protection to prevent attack scenarii in an optimistic manner. Thus, security is enforced while allowing legitimate activities.; La thèse porte sur deux enjeux importants de sécurité. Le premier concerne l’amélioration de la sécurité des systèmes Linux présents dans le calcul intensif et le second la protection des postes de travail Windows. Elle propose une méthode commune pour l’observation des appels système et la répartition d’observateurs afin de renforcer la sécurité et mesurer les performances obtenues. Elle vise des observateurs du type moniteur de référence afin de garantir de la confidentialité et de l’intégrité. Une solution utilisant une méthode de calcul intensif est mise en oeuvre pour réduire les surcoûts de communication entre les deux moniteurs de référence SELinux et PIGA. L’évaluation des performances montre les surcoûts engendrés par les moniteurs répartis et analyse la faisabilité pour les différents noeuds d’environnements de calcul intensif. Concernant la sécurité des postes de travail, un moniteur de référence est proposé pour Windows. Il repose sur les meilleures protections obligatoires issues des systèmes Linux et simplifie l’administration. Nous présentons une utilisation de ce nouveau moniteur pour analyser le fonctionnement de logiciels malveillants. L’analyse permet une protection avancée qui contrôle l’ensemble du scénario d’attaque de façon optimiste. Ainsi, la sécurité est renforcée sans nuire aux activités légitimes.

Microorganisms represent the largest diversity of the living beings. They play a crucial rôle in all biological processes related to their huge metabolic potentialities and their capacity for adaptation to different ecological niches. The development of new genomic approaches allows a better knowledge of the microbial communities involved in complex environments functioning. In this context, DNA microarrays represent high-throughput tools able to study the presence, or the expression levels of several thousands of genes, combining qualitative and quantitative aspects in only one experiment. However, the design and analysis of DNA microarrays, with their current high density formats as well as the huge amount of data to process, are complex but crucial steps. To improve the quality and performance of these two steps, we have proposed new bioinformatics approaches for the design and analysis of DNA microarrays in parallel and distributed environments. These multipurpose approaches use high performance computing (HPC) and new software engineering approaches, especially model driven engineering (MDE), to overcome the current limitations. We have first developed PhylGrid 2.0, a new distributed approach for the selection of explorative probes for phylogenetic DNA microarrays at large scale using computing grids. This software was used to build PhylOPDb: a comprehensive 16S rRNA oligonucleotide probe database for prokaryotic identification. MetaExploArrays, which is a parallel software of oligonucleotide probe selection on different computing architectures (a PC, a multiprocessor, a cluster or a computing grid) using meta-programming and a model driven engineering approach, has been developed to improve flexibility in accordance to user’s informatics resources. Then, PhylInterpret, a new software for the analysis of hybridization results of DNA microarrays. PhylInterpret uses the concepts of propositional logic to determine the prokaryotic composition of metagenomic samples. Finally, a new parallelization method based on model driven engineering (MDE) has been proposed to compute a complete backtranslation of short peptides to select probes for functional microarrays., Les microorganismes constituent la plus grande diversité du monde vivant. Ils jouent un rôle clef dans tous les processus biologiques grâce à leurs capacités d’adaptation et à la diversité de leurs capacités métaboliques. Le développement de nouvelles approches de génomique permet de mieux explorer les populations microbiennes. Dans ce contexte, les biopuces à ADN représentent un outil à haut débit de choix pour l'étude de plusieurs milliers d’espèces en une seule expérience. Cependant, la conception et l’analyse des biopuces à ADN, avec leurs formats de haute densité actuels ainsi que l’immense quantité de données à traiter, représentent des étapes complexes mais cruciales. Pour améliorer la qualité et la performance de ces deux étapes, nous avons proposé de nouvelles approches bioinformatiques pour la conception et l’analyse des biopuces à ADN en environnements parallèles. Ces approches généralistes et polyvalentes utilisent le calcul haute performance (HPC) et les nouvelles approches du génie logiciel inspirées de la modélisation, notamment l’ingénierie dirigée par les modèles (IDM) pour contourner les limites actuelles. Nous avons développé PhylGrid 2.0, une nouvelle approche distribuée sur grilles de calcul pour la sélection de sondes exploratoires pour biopuces phylogénétiques. Ce logiciel a alors été utilisé pour construire PhylOPDb: une base de données complète de sondes oligonucléotidiques pour l’étude des communautés procaryotiques. MetaExploArrays qui est un logiciel parallèle pour la détermination de sondes sur différentes architectures de calcul (un PC, un multiprocesseur, un cluster ou une grille de calcul), en utilisant une approche de méta-programmation et d’ingénierie dirigée par les modèles a alors été conçu pour apporter une flexibilité aux utilisateurs en fonction de leurs ressources matériel. PhylInterpret, quant à lui est un nouveau logiciel pour faciliter l’analyse des résultats d’hybridation des biopuces à ADN. PhylInterpret utilise les notions de la logique propositionnelle pour déterminer la composition en procaryotes d’échantillons métagénomiques. Enfin, une démarche d’ingénierie dirigée par les modèles pour la parallélisation de la traduction inverse d’oligopeptides pour le design des biopuces à ADN fonctionnelles a également été mise en place.

In the race for better performance, computer architectures are becoming more and more complex. Therefore the need for hardware models is crucial to i) tune software to the underling architecture, ii) build tools to better exploit hardware or iii) choose an architecture according to the needs of a given application. In this dissertation, we aim at describing how to build a hardware model that targets all critical parts of modern computer architecture. That is the processing unit itself, memory and even power consumption. We believe that a large part of hardware modeling can be done automatically. This would relieve people from the tiresome task of doing it by hand. Our first contribution is a set of performance models for the on-core part of several different CPUs. This part of an architecture model is called the computational model. The computational model targeting the Intel SCC chip also includes a power model allowing for power aware performance optimization. Our other main contribution is an auto-tuned memory hierarchy model for general purpose CPUs able to i) predict performance of memory bound computations, ii) provide programmer with programming guidelines to improve software memory behavior., Ce manuscrit s'inscrit dans le domaine du calcul intensif (HPC) où le besoin croissant de performance pousse les fabricants de processeurs à y intégrer des mécanismes de plus en plus sophistiqués. Cette complexité grandissante rend l'utilisation des architectures compliquée. La modélisation des performances des architectures multi-cœurs permet de remonter des informations aux utilisateurs, c'est à dire les programmeurs, afin de mieux exploiter le matériel. Cependant, du fait du manque de documentation et de la complexité des processeurs modernes, cette modélisation est souvent difficile. L'objectif de ce manuscrit est d'utiliser des mesures de performances de petits fragments de codes afin de palier le manque d'information sur le matériel. Ces expériences, appelées micro-benchmarks, permettent de comprendre les performances des architectures modernes sans dépendre de la disponibilité des documentations techniques. Le premier chapitre présente l'architecture matérielle des processeurs modernes et, en particulier, les caractéristiques rendant la modélisation des performances complexe. Le deuxième chapitre présente une méthodologie automatique pour mesurer les performances des instructions arithmétiques. Les informations trouvées par cette méthode sont la base pour des modèles de calculs permettant de prédire le temps de calcul de fragments de codes arithmétique. Ce chapitre présent également comment de tels modèles peuvent être utilisés pour optimiser l'efficacité énergétique, en prenant pour exemple le processeur SCC. La dernière partie de ce chapitre motive le fait de réaliser un modèle mémoire prenant en compte la cohérence de cache pour prédire le temps d'accès au données. Le troisième chapitre présente l'environnement de développement de micro-benchmark utilisé pour caractériser les hiérarchies mémoires dotées de cohérence de cache. Ce chapitre fait également une étude comparative des performances mémoire de différentes architectures et l'impact sur les performances du choix du protocole de cohérence. Enfin, le quatrième chapitre présente un modèle mémoire permettant la prédiction du temps d'accès aux données pour des applications régulières de type \openmp. Le modèle s'appuie sur l'état des données dans le protocole de cohérence. Cet état évolue au fil de l'exécution du programme en fonction des accès à la mémoire. Pour chaque transition, une fonction de coût est associée. Cette fonction est directement dérivée des résultats des expériences faites dans le troisième chapitre, et permet de prédire le temps d'accès à la mémoire. Une preuve de concept de la fiabilité de ce modèle est faite, d'une part sur les applications d'algèbre et d'analyse numérique, d'autre part en utilisant ce modèle pour modéliser les performance des communications \mpi en mémoire partagée.

In the race for better performance, computer architectures are becoming more and more complex. Therefore the need for hardware models is crucial to i) tune software to the underling architecture, ii) build tools to better exploit hardware or iii) choose an architecture according to the needs of a given application. In this dissertation, we aim at describing how to build a hardware model that targets all critical parts of modern computer architecture. That is the processing unit itself, memory and even power consumption. We believe that a large part of hardware modeling can be done automatically. This would relieve people from the tiresome task of doing it by hand. Our first contribution is a set of performance models for the on-core part of several different CPUs. This part of an architecture model is called the computational model. The computational model targeting the Intel SCC chip also includes a power model allowing for power aware performance optimization. Our other main contribution is an auto-tuned memory hierarchy model for general purpose CPUs able to i) predict performance of memory bound computations, ii) provide programmer with programming guidelines to improve software memory behavior.; Ce manuscrit s'inscrit dans le domaine du calcul intensif (HPC) où le besoin croissant de performance pousse les fabricants de processeurs à y intégrer des mécanismes de plus en plus sophistiqués. Cette complexité grandissante rend l'utilisation des architectures compliquée. La modélisation des performances des architectures multi-cœurs permet de remonter des informations aux utilisateurs, c'est à dire les programmeurs, afin de mieux exploiter le matériel. Cependant, du fait du manque de documentation et de la complexité des processeurs modernes, cette modélisation est souvent difficile. L'objectif de ce manuscrit est d'utiliser des mesures de performances de petits fragments de codes afin de palier le manque d'information sur le matériel. Ces expériences, appelées micro-benchmarks, permettent de comprendre les performances des architectures modernes sans dépendre de la disponibilité des documentations techniques. Le premier chapitre présente l'architecture matérielle des processeurs modernes et, en particulier, les caractéristiques rendant la modélisation des performances complexe. Le deuxième chapitre présente une méthodologie automatique pour mesurer les performances des instructions arithmétiques. Les informations trouvées par cette méthode sont la base pour des modèles de calculs permettant de prédire le temps de calcul de fragments de codes arithmétique. Ce chapitre présent également comment de tels modèles peuvent être utilisés pour optimiser l'efficacité énergétique, en prenant pour exemple le processeur SCC. La dernière partie de ce chapitre motive le fait de réaliser un modèle mémoire prenant en compte la cohérence de cache pour prédire le temps d'accès au données. Le troisième chapitre présente l'environnement de développement de micro-benchmark utilisé pour caractériser les hiérarchies mémoires dotées de cohérence de cache. Ce chapitre fait également une étude comparative des performances mémoire de différentes architectures et l'impact sur les performances du choix du protocole de cohérence. Enfin, le quatrième chapitre présente un modèle mémoire permettant la prédiction du temps d'accès aux données pour des applications régulières de type \openmp. Le modèle s'appuie sur l'état des données dans le protocole de cohérence. Cet état évolue au fil de l'exécution du programme en fonction des accès à la mémoire. Pour chaque transition, une fonction de coût est associée. Cette fonction est directement dérivée des résultats des expériences faites dans le troisième chapitre, et permet de prédire le temps d'accès à la mémoire. Une preuve de concept de la fiabilité de ce modèle est faite, d'une part sur les applications d'algèbre et d'analyse numérique, d'autre part en utilisant ce modèle pour modéliser les performance des communications \mpi en mémoire partagée.

Searching similarities between sequences is a fundamental operation in bioinformatics, providing insight in biological functions as well as tools for high-throughput data. There is a need to have algorithms able to process efficiently billions of sequences. To look for approximate similarities, a common heuristic is to consider short words that appear exactly in both sequences, the seeds, then to try to extend this similarity to the neighborhoods of the seeds. The thesis focuses on this second stage of seed-based heuristics : how can we retrieve and compare efficiently the neighborhoods of the seeds ? The thesis proposes several solutions tailored for manycore processors such as today's GPUs. Such processors are making massively parallel computing more and more popular. The thesis proposes direct approaches (extension of bit-parallel Wu-Manber algorithm, published in PBC 2011, and binary search) and approaches with another index (with perfect hash functions). Each one of these solutions was conceived to obtain as much fine-grained parallelism as possible, requiring intensive but homogeneous computational operations. All proposed methods were implemented in OpenCL and benchmarked. Finally, the thesis presents MAROSE, a prototype parallel read mapper using these concepts. In some situations, MAROSE is more efficient than the existing read mappers with a comparable sensitivity.; Rechercher les similarités entre séquences est une opération fondamentale en bioinformatique, que cela soit pour étudier des questions biologiques ou bien pour traiter les données issues de séquenceurs haut-débit. Il y a un vrai besoin d'algorithmes capables de traiter des millions de séquences rapidement. Pour trouver des similarités approchées, on peut tout d'abord considérer de petits mots exacts présents dans les deux séquences, les graines, puis essayer d'étendre les similarités aux voisinages de ces graines. Cette thèse se focalise sur la deuxième étape des heuristiques à base de graines : comment récupérer et comparer efficacement ces voisinages des graines, pour ne garder que les bons candidats ? La thèse explore différentes solutions adaptées aux processeurs massivement multicoeurs: aujourd'hui, les GPUs sont en train de démocratiser le calcul parallèle et préparent les processeurs de demain. La thèse propose des approches directes (extension de l'algorithme bit-parallèle de Wu-Manber, publiée à PBC 2011, et recherche dichotomique) ou bien avec un index supplémentaire (utilisation de fonctions de hash parfaites). Chaque solution a été pensée pour tirer le meilleur profit des architectures avec un fort parallélisme à grain fin, en utilisant des calculs intensifs mais homogènes. Toutes les méthodes proposées ont été implémentés en OpenCL, et comparées sur leur temps d'exécution. La thèse se termine par un prototype de read mapper parallèle, MAROSE, utilisant ces concepts. Dans certaines situations, MAROSE est plus rapide que les solutions existantes avec une sensibilité similaire.

Within the general context of solid-state sintering process, this work presents a numerical modeling approach, at the particle scale, of ceramic particle packing consolidation. Typically, the sintering process triggers several mass transport paths that are thermally activated. Among those diffusion paths, the most important ones are: surface diffusion, grain boundary diffusion and volume diffusion. Including this physics into a high-performance computing framework would permit to gain precious insights about the driving mechanisms. The aim of the present work is to develop a model and a numerical strategy able to integrate the different diffusion mechanisms into continuum mechanics framework. In the cases of surface diffusion and volume diffusion, the mass flux is calculated as a function of the surface curvature Laplacian and the hydrostatic pressure gradient, respectively. The physical model describing these two transport mechanisms is first presented within the framework of continuum mechanics. Then the numerical strategy developed for the simulation of the sintering of many particles is detailed. This strategy is based on a discretization of the problem by using a finite element approach coupled with a Level-Set method used to describe the particles free surface. This versatile strategy allows us to perform simulations involving a relatively large number of particles. Furthermore, a mesh adaptation technique allows the particles surface description to be improved, while the number of mesh elements is kept reasonable. Several 3D simulations, performed in a parallel computing framework, show the changes occurring in the structure of 3D granular stacks., Dans le cadre général de la simulation du procédé de frittage en phase solide, ce travail propose une approche numérique, à l'échelle des particules, de la consolidation d'un compact pulvérulent céramique. Le frittage est un procédé mettant en jeu plusieurs chemins de diffusion activés thermiquement. Parmi ces chemins de diffusion, les plus importants sont : la diffusion surfacique, la diffusion aux joints des grains et la diffusion volumique. La mise en place de cette physique dans un cadre de calcul intensif doit permettre de mieux comprendre ces mécanismes de diffusion ainsi que leur influence sur l'évolution de la microstructure. Le but de ce travail consiste à développer un modèle ainsi qu'une stratégie numérique capable d'intégrer les différents mécanismes de diffusion dans un cadre de calcul intensif. Le flux de matière est calculé en fonction du Laplacien de la courbure dans les cas de la diffusion surfacique, tandis que pour la diffusion volumique ce flux est proportionnel au gradient de la pression hydrostatique. Le modèle physique est tout d'abord présenté dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Ensuite, la stratégie numérique développée pour la simulation du frittage d'un empilement granulaire est détaillée. Cette stratégie est basée sur une discrétisation du problème par des éléments finis stabilisés couplée avec une méthode Level-set pour décrire la surface libre des particules. Cette stratégie nous permet de faire des simulations avec un "grand" nombre de particules. Plusieurs simulations en 3D, menées dans un cadre de calcul parallèle, montrent l'évolution qui a lieu sur un empilement granulaire réaliste.

The effect of velocity fluctuations on the threshold of the dynamo effect, the magnetic induction, and also the non-linear behaviors in the saturation regime are analysed through a list of eight articles selected. These subjects are studied by numerical simulations in a three-dimensional periodic domain. Direct numerical simulation (DNS) and simulation using sub-grid scale modeling methods (LES), helped to highlight the effect of fluctuations on the threshold and many modes of dynamo in flows sustained with different forcings (Taylor-Green, ABC and G.O. Robert). In these systems in the saturation regime, non-linear effects appear, such as sub-critical bifurcations associated with hysteresis loops, and turbulent intermittent On-Off behaviors. A discussion and perspectives on these topics are presented, together with a long annexe describing the numerical methods and diagnostics that were used in this work.; L'effet des fluctuations de vitesse sur le seuil de la dynamo, de l'induction magnétique, et ainsi que des effets non linéaires présents dans le régime de saturation sont étudiés avec une sélection de huit articles. Ces thèmes ont été abordés à travers des simulations numériques dans un domaine périodique tri-dimensionnel. Des simulations numériques directes (DNS) et des méthodes de modélisation sous maille (LES) de la turbulence, ont permis de mettre en évidence l'effet des fluctuation sur le seuil et de nombreux modes de dynamo engendrés dans des écoulements entretenus par différents forçages (Taylor-Green, ABC et G.O. Robert). Dans ces systèmes MHD pendant la phase de saturation, des effets non-linéaires apparaissent, comme des bifurcations sous critiques associées à des cycles d'hystérésis, ainsi qu'un comportement de turbulence intermittente On-Off. Une discussion et des perspectives sur ces thèmes sont présentées, ainsi qu'une annexe sur les méthodes numériques et les diagnostiques ayant été utilisés dans ces travaux.

Shock wave / turbulent boundary layer interactions arising on aeronautical vehicles are prone to unsteadiness with a low frequency of few hundred Hertz, which can induce severe aerodynamic loads. The present study is done in the framework of the ANR project SPICEX, which deals with the numerical modeling of these low-frequency phenomena. The unsteady dynamics of a shock wave / turbulent boundary layer interaction (SWTBLI) on a flat plate is investigated. A numerical tool based on Large Eddy Simulation (LES) is developed for the compressible regime. In particular, efficient strategies for shock capturing and turbulent inflow generation are implemented. A particular attention is devoted to the validation of the present algorithms, notably concerning the LES models. Turbulent boundary layer and SWTBLI simulations are conducted, and give confidence in the present numerical strategy. LES of an unsteady SWTBLI covering dozens of low-frequency cycles is performed. The results suggest that the low-frequency dynamics is related to a global synchronization of the flow, characterized by a cyclic breathing motion of the recirculation bubble, associated with a fore-and aft motion of the reflected shock, together with a modulation of the mixing layer. The study shows that the coupling between the restoring force due to the incident shock and the disturbances generated by the incoming turbulence and the mixing layer is responsible for the low-frequency broadband modulation of the vortex shedding in the downstream flow, corresponding statistically to the low frequency of interest., Les interactions ondes de choc/couches limites qui se développent sur les parois des véhicules aéronautiques sont le siège d'instationnarités à des fréquences de l'ordre de la centaine de Hertz qui constituent une source d'excitation aérodynamique. Le projet ANR SPICEX, dans lequel s'inscrit la présente étude, s'attaque à la modélisation numérique de ces phénomènes basses fréquences. On s'intéresse à la dynamique instationnaire du cas d'interaction entre une onde de choc et une couche limite supersonique sur une plaque plane (IOCCL). Un outil numérique de Simulation des Grandes Échelles (SGE) est développé pour les écoulements en régime compressible. Une méthode de capture de choc et une condition d'entrée instationnaire peu coûteuses sont mises en place. Une attention particulière est portée sur la validation de la stratégie numérique adoptée, et notamment sur la modélisation SGE. Des simulations de couche limites turbulentes ainsi que du cas d'IOCCL sont réalisées et permettent d'asseoir les choix numériques adoptés. Une SGE de l'IOCCL instationnaire couvrant plusieurs dizaines de cycles de la dynamique à basses fréquences est également réalisée afin de caractériser cette dernière. Les résultats de l'étude suggèrent que les instationnarités basses fréquences sont liées à une synchronisation globale de l'écoulement, caractérisée par une respiration cyclique de la zone décollée associée à un mouvement de va-et-vient du choc réfléchi, ainsi qu'à une modulation de la couche de mélange. L'étude suggère que le couplage entre la force de rappel exercé par le choc incident et les perturbations issues de la turbulence amont et de la couche de mélange est à l'origine d'une modulation large bande de l'éjection des tourbillons en aval de l'écoulement qui correspond de manière statistique à la dynamique basse fréquence d'intérêt.

With the advent of low-energy buildings, the need for accurate building performance simulations has significantly increased. However, for the time being, the thermo-aeraulic effects are often taken into account through simplified or even empirical models, which fail to provide the expected accuracy. Resorting to computational fluid dynamics seems therefore unavoidable, but the required computational effort is in general prohibitive. The joint use of innovative approaches such as the lattice Boltzmann method (LBM) and massively parallel computing devices such as graphics processing units (GPUs) could help to overcome these limits. The present research work is devoted to explore the potential of such a strategy. The lattice Boltzmann method, which is based on a discretised version of the Boltzmann equation, is an explicit approach offering numerous attractive features: accuracy, stability, ability to handle complex geometries, etc. It is therefore an interesting alternative to the direct solving of the Navier-Stokes equations using classic numerical analysis. From an algorithmic standpoint, the LBM is well-suited for parallel implementations. The use of graphics processors to perform general purpose computations is increasingly widespread in high performance computing. These massively parallel circuits provide up to now unrivalled performance at a rather moderate cost. Yet, due to numerous hardware induced constraints, GPU programming is quite complex and the possible benefits in performance depend strongly on the algorithmic nature of the targeted application. For LBM, GPU implementations currently provide performance two orders of magnitude higher than a weakly optimised sequential CPU implementation. The present thesis consists of a collection of nine articles published in international journals and proceedings of international conferences (the last one being under review). These contributions address the issues related to single-GPU implementations of the LBM and the optimisation of memory accesses, as well as multi-GPU implementations and the modelling of inter-GPU and internode communication. In addition, we outline several extensions to the LBM, which appear essential to perform actual building thermo-aeraulic simulations. The test cases we used to validate our codes account for the strong potential of GPU LBM solvers in practice., Avec l'émergence des bâtiments à haute efficacité énergétique, il est devenu indispensable de pouvoir prédire de manière fiable le comportement énergétique des bâtiments. Or, à l'heure actuelle, la prise en compte des effets thermo-aérauliques dans les modèles se cantonne le plus souvent à l'utilisation d'approches simplifiées voire empiriques qui ne sauraient atteindre la précision requise. Le recours à la simulation numérique des écoulements semble donc incontournable, mais il est limité par un coût calculatoire généralement prohibitif. L'utilisation conjointe d'approches innovantes telle que la méthode de Boltzmann sur gaz réseau (LBM) et d'outils de calcul massivement parallèles comme les processeurs graphiques (GPU) pourrait permettre de s'affranchir de ces limites. Le présent travail de recherche s'attache à en explorer les potentialités. La méthode de Boltzmann sur gaz réseau, qui repose sur une forme discrétisée de l'équation de Boltzmann, est une approche explicite qui jouit de nombreuses qualités : précision, stabilité, prise en compte de géométries complexes, etc. Elle constitue donc une alternative intéressante à la résolution directe des équations de Navier-Stokes par une méthode numérique classique. De par ses caractéristiques algorithmiques, elle se révèle bien adaptée au calcul parallèle. L'utilisation de processeurs graphiques pour mener des calculs généralistes est de plus en plus répandue dans le domaine du calcul intensif. Ces processeurs à l'architecture massivement parallèle offrent des performances inégalées à ce jour pour un coût relativement modéré. Néanmoins, nombre de contraintes matérielles en rendent la programmation complexe et les gains en termes de performances dépendent fortement de la nature de l'algorithme considéré. Dans le cas de la LBM, les implantations GPU affichent couramment des performances supérieures de deux ordres de grandeur à celle d'une implantation CPU séquentielle faiblement optimisée. Le mémoire de thèse présenté est constitué d'un ensemble de neuf articles de revues internationales et d'actes de conférences internationales (le dernier étant en cours d'évaluation). Dans ces travaux sont abordés les problématiques liées tant à l'implantation mono-GPU de la LBM et à l'optimisation des accès en mémoire, qu'aux implantations multi-GPU et à la modélisation des communications inter-GPU et inter-nœuds. En complément, sont détaillées diverses extensions à la LBM indispensables pour envisager une utilisation en thermo-aéraulique des bâtiments. Les cas d'études utilisés pour la validation des codes permettent de juger du fort potentiel de cette approche en pratique.

International audience; Utilisation d'une Grille de Calcul (GRISBI) pour le Traitement de Données NGS (New Generation Sequencing)

Bioinformatics require the analysis of large amounts of data. With the recent advent of next generation sequencing technologies generating data at a cheap cost, the computational power needed has increased dramatically. Graphic Processing Units (GPU) are now programmable beyond simple graphic computations, providing cheap high performance for general purpose applications. This thesis explores the usage of GPUs for bioinformatics applications. First, this work focuses on the computation of secondary structures of RNA sequences. It is traditionally conducted with a dynamic programming algorithm, which poses significant challenges for a GPU implementation. We introduce a new tiled implementation providing good data locality and therefore very efficient GPU code. We note that our algorithmic modification also enables tiling and subsequent vectorization of the CPU program, allowing us to conduct a fair CPU-GPU comparison. Secondly, this works addresses the short sequence alignment problem. We present an attempt at GPU parallelization using the seed-and-extend paradigm. Since this attempt is unsuccessful, we then focus on the development of a program running on CPU. Our main contribution is the development of a new algorithm filtering candidate alignment locations quickly, based on the pre computation of tiles of the dynamic programming matrix. This new algorithm proved to be in fact more effective on a sequential CPU program and lead to an efficient new CPU aligner. Our work provides the example of both successful an unsuccessful attempts at GPU parallelization. These two points of view allow us to evaluate GPUs efficiency and the role they can play in bioinformatics.; La bioinformatique nécessite l'analyse de grandes quantités de données. Avec l'apparition de nouvelles technologies permettant un séquençage à haut débit à bas coût, la puissance de calcul requise pour traiter les données a énormément augmenté.. Cette thèse examine la possibilité d'utiliser les processeurs graphiques (GPU) pour des applications de bioinformatique. Dans un premier temps, ce travail s'intéresse au calcul des structures secondaires d'ARN. Ce problème est en général calculé par programmation dynamique, avec un algorithme qui pose de sérieux problèmes pour un code GPU. Nous introduisons une nouvelle implémentation tuilée qui fait apparaitre une bonne localité mémoire, permettant ainsi un programme GPU très efficace. Cette modification permet également de vectoriser le code CPU et donc de faire une comparaison honnête des performances entre GPU et CPU. Dans un deuxième temps, ce travail aborde le problème d'alignements de séquences. Nous présentons une parallélisation GPU d'une méthode utilisant une indexation par graines. L' implémentation sur GPU n'étant pas efficace, nous nous tournons vers le développement d'une version CPU. Notre contribution principale est le développement d'un nouvel algorithme éliminant rapidement les nombreux alignements potentiels, basé sur le précalcul de portions de la matrice de programmation dynamique. Ce nouvel algorithme a conduit au développement d'un nouveau programme d'alignement très efficace. Notre travail fournit l'exemple de deux problèmes différents dont seulement un a pu être efficacement parallélisé sur GPU. Ces deux expériences nous permettent d'évaluer l'efficacité des GPU et leur place en bioinformatique.

The current trend of constructors for scientific computation is to build clusters whose node include an increasing number of cores.The classical programming model that is only based on MPI is being replaced by hybrid approaches that mix communication and multi-threading. This evolution of the programming model leads to numerous problems since MPI implementations were not designed for multi-threaded applications. In this thesis, in order to guarantee a smooth behavior of communication, we propose a software module that interact with both the threads scheduler and the communication library. This module, by working closely with the thread scheduler, allows to make communication progress in the background and guarantees a high level of reactivity to network events, even when the node is overloaded., La tendance actuelle des constructeurs pour le calcul scientifique est à l'utilisation de grappes de machines dont les noeuds comportent un nombre de coeurs toujours plus grand. Le modèle basé uniquement sur MPI laisse peu à peu la place à des modèles mélangeant l'utilisation de threads et de MPI. Ce changement de modèle entraîne de nombreuses problématiques car les implémentations MPI n'ont pas été conçues pour supporter les applications multi-threadées. Dans cette thèse, afin de garantir le bon fonctionnement des communications, nous proposons un module logiciel faisant interagir l'ordonnanceur de threads et la bibliothèque de communication. Ce module, en collaborant avec l'ordonnanceur de threads, permet de faire progresser les communications en arrière-plan et d'assurer un haut niveau de réactivité, même lorsque la machine est surchargée.

This thesis report is focused on studying data flow accelerators dedicated to image using mathematical morphology. The main objective is to provide a programmable and efficient implementation of basic morphological operators, and to assemble them in such a way as to provide complex operators with fast operation. In recent years, morphological algorithm research has been oriented towards finding elegant algorithms to compute these complex operators, such as watershed using priority queues. These complex algorithms often use specific data structures that are hard to deploy on platforms other than single-core, general-purpose processors. Moreover, these processors continue their development in the field of parallelism by heightening the number of cores. And because the frequency wall seems to have been reached, the best way to optimise performance is to use parallelising techniques. Consequently, we decided on fast implementations of complex mathematical morphology operators, based on highly parallel simpler operations. In the first part, we study existing computational kernels for neighbourhood processors and suggest new ones based on recent advances in mathematical morphology. In the second part, we use the neighbourhood processors as building blocks to generate and manage pipeline using high-level tools in a system on chip context. In the third part, we present a description of a basic VLIW processor using vector instructions deployed in a dataflow context to exploit spatial and temporal parallelism. Finally, we analyse the performance of our system against a multi-core workstation processor, and against a graphics processor to show the relevance of our approach.; Nous abordons ici la thématique des opérateurs et processeurs flot de données dédiés au traitement d'images et orientés vers la morphologie mathématique. L'objectif principal est de proposer des architectures performantes capables de réaliser les opérations simples de ce corpus mathématique afin de proposer des opérateurs morphologiques avancés. Ces dernières années, des algorithmes astucieux ont été proposés avec comme objectif de réduire la quantité des calculs nécessaires à la réalisation de transformations telle que la ligne de partage des eaux. Toutefois, les mises en œuvre proposées font souvent appel à des structures de données complexes qui sont difficiles à employer sur des machines différentes des processeurs généralistes monocœurs. Les processeurs standard poursuivant aujourd'hui leur évolution vers une augmentation du parallélisme, ces implémentations ne nous permettent pas d'obtenir les gains de performance escomptés à chaque nouvelle génération de machine. Nous proposons alors des mises en œuvre rapides des opérations complexes de la morphologie mathématique par des machines exploitant fortement le parallélisme intrinsèque des opérations basiques. Nous étudions dans une première partie les processeurs de voisinage travaillant directement sur un flot de pixels et nous proposons différentes méthodologies de conception rapide de pipelines dédiés à une application. Nous proposons également une structure de pipeline programmable via l'utilisation de processeurs vectoriels avec différentes possibilités de chaînage. Enfin, une étude avec des machines est proposée afin d'observer la pertinence de notre approche.

This thesis report is focused on studying data flow accelerators dedicated to image using mathematical morphology. The main objective is to provide a programmable and efficient implementation of basic morphological operators, and to assemble them in such a way as to provide complex operators with fast operation. In recent years, morphological algorithm research has been oriented towards finding elegant algorithms to compute these complex operators, such as watershed using priority queues. These complex algorithms often use specific data structures that are hard to deploy on platforms other than single-core, general-purpose processors. Moreover, these processors continue their development in the field of parallelism by heightening the number of cores. And because the frequency wall seems to have been reached, the best way to optimise performance is to use parallelising techniques. Consequently, we decided on fast implementations of complex mathematical morphology operators, based on highly parallel simpler operations. In the first part, we study existing computational kernels for neighbourhood processors and suggest new ones based on recent advances in mathematical morphology. In the second part, we use the neighbourhood processors as building blocks to generate and manage pipeline using high-level tools in a system on chip context. In the third part, we present a description of a basic VLIW processor using vector instructions deployed in a dataflow context to exploit spatial and temporal parallelism. Finally, we analyse the performance of our system against a multi-core workstation processor, and against a graphics processor to show the relevance of our approach.; Nous abordons ici la thématique des opérateurs et processeurs flot de données dédiés au traitement d'images et orientés vers la morphologie mathématique. L'objectif principal est de proposer des architectures performantes capables de réaliser les opérations simples de ce corpus mathématique afin de proposer des opérateurs morphologiques avancés. Ces dernières années, des algorithmes astucieux ont été proposés avec comme objectif de réduire la quantité des calculs nécessaires à la réalisation de transformations telle que la ligne de partage des eaux. Toutefois, les mises en œuvre proposées font souvent appel à des structures de données complexes qui sont difficiles à employer sur des machines différentes des processeurs généralistes monocœurs. Les processeurs standard poursuivant aujourd'hui leur évolution vers une augmentation du parallélisme, ces implémentations ne nous permettent pas d'obtenir les gains de performance escomptés à chaque nouvelle génération de machine. Nous proposons alors des mises en œuvre rapides des opérations complexes de la morphologie mathématique par des machines exploitant fortement le parallélisme intrinsèque des opérations basiques. Nous étudions dans une première partie les processeurs de voisinage travaillant directement sur un flot de pixels et nous proposons différentes méthodologies de conception rapide de pipelines dédiés à une application. Nous proposons également une structure de pipeline programmable via l'utilisation de processeurs vectoriels avec différentes possibilités de chaînage. Enfin, une étude avec des machines est proposée afin d'observer la pertinence de notre approche.

The current trend of constructors for scientific computation is towards an imbrication of technologies that permits an ever increased degree of parallelism within a single machine: NUMA architectures, multicore chips, SMT. The efficiency of the execution of an irregular parallel application on such hierarchical machines hence relies on the quality of thread scheduling and data placement, so as to avoid NUMA penalties and cache misses as much as possible. Current Operating Systems fail to achieve this because they are too generic, and thus application developers end up tuning their program for a given machine.In this thesis, in order to guarantee some portability of performances, we define the notion of /bubble/ that allows to express the parallel structure nature of the computation, and we model the architecture of the target machine by a hierarchy of runqueues. A high-level programming interface and several debugging tools then permit to easily develop dedicated, efficient, and portable schedulers. Several schedulers that implement various approaches have been developed, some of which by trainees, which shows both the powerfulness and the simplicity of the interface. To sum it up, this is a real platform for developing and experimenting with bubble schedulers which has been integrated in the user-level thread library marcel. The OpenMP support of the GCC compiler, GOMP, was extended to use that library and express the structured nature of nested parallel sections thanks to bubbles. Along with the POSIX compatibility layer of marcel, these ports permitted to test the bubble schedulers that were implemented on various applications. The achieved performance benefits, about 20 to 40%, show the interest of our approach., La tendance des constructeurs pour le calcul scientifique est à l'imbrication de technologies permettant un degré de parallélisme toujours plus fort au sein d'une même machine : architecture NUMA, puces multicœurs, SMT. L'efficacité de l'exécution d'une application parallèle irrégulière sur de telles machines hiérarchiques repose alors sur la qualité de l'ordonnancement des tâches et du placement des données, pour éviter le plus possible les pénalités NUMA et les défauts de cache. Les systèmes d'exploitation actuels, pris au dépourvu car trop généralistes, laissent les concepteurs d'application contraints à « câbler » leurs programmes pour une machine donnée.Dans cette thèse, pour garantir une certaine portabilité des performances, nous définissons la notion de /bulle/ permettant d'exprimer la nature structurée du parallélisme du calcul, et nous modélisons l'architecture de la machine cible par une hiérarchie de listes de tâches. Une interface de programmation et des outils de débogage de haut niveau permettent alors de développer simplement des ordonnanceurs dédiés, efficaces et portables. Différents ordonnanceurs mettant en œuvre des approches variées ont été développés, en partie notamment par des stagiaires encadrés au sein de l'équipe, ce qui montre à la fois la puissance et la simplicité de l'interface. C'est ainsi une véritable plate-forme de développement et d'expérimentation d'ordonnanceurs à bulles qui a été intégrée au sein de la bibliothèque de threads utilisateur marcel. Le support OpenMP du compilateur GCC, GOMP, a été étendu pour utiliser cette bibliothèque et exprimer la nature structurée des sections parallèles imbriquées à l'aide de bulles. Avec la couche de compatibilité POSIX de marcel, ces supports ont permis de tester les différents ordonnanceurs à bulles développés, sur différentes applications. Les gains obtenus, de l'ordre de 20 à 40%, montrent l'intérêt de notre approche.

Lots of scientific applications use and create vast amounts of data. Those often have specific ways to access data in non-sequential patterns (strided requests). To avoid performance loss, parallel I/O libraries such as ROMIO are often used to aggregate small separate requests into large contiguous ones. However, optimizations for a given applications are not aware of the whole set of interactions with other ones running at the same time on the cluster. As a consequence, most of the optimization work is lost because they will be disturbed by the other applications !This document presents a software service, named aIOLi, whose role is to control, reschedule and regulate the whole set of interactions coming from all applications running simultaneously on a cluster. Besides, the traditional POSIX API is maintained and used.In such a context, trade-off have to be found between performance, fairness and response time. To achieve this, an I/O scheduling algorithm together with a ''requests aggregator'' considering both application access patterns and global system load have been designed and merged into aIOLi. The aIOLi service consists of a new generic framework pluggable into any I/O file system.Several concurrent runs of the IOR benchmarks show significant improvements on read accesses with regards to POSIX and ROMIO calls., De nombreuses applications scientifiques utilisent et génèrent d'énormes quantités de données. Ces applications qui exploitent des modèles d'accès parallèles spécifiques (principalement des accès disjoints) sont souvent pénalisées par des systèmes de stockage inadaptés. Pour éviter les dégradations de performances, les bibliothèques d'Entrées/Sorties parallèles telles que ROMIO sont généralement utilisées pour agréger les petites requêtes séparées en de plus grosses contiguës habituellement plus performantes. Toutefois, les optimisations apportées pour un programme ne tiennent pas compte de l'ensemble des interactions avec d'autres applications s'exécutant en concurrence sur la grappe. La conséquence est que ces routines spécifiques visant à optimiser les accès d'une application vont s'avérer inutiles, car leur effet va être perturbé par les autres applications !Ce document décrit une nouvelle approche, appelée aIOLi, permettant lecontrôle, le réordonnancement et la régulation de l'ensemble des interactions générées par les différentes applications s'exécutant simultanément sur une grappe et ce, en s'appuyant uniquement sur l'interface POSIX.Dans un tel contexte, la performance, l'interactivité et l'équité sont des critères pour lesquels il est important de trouver un bon compromis. Pour y parvenir, une stratégie d'ordonnancement globale prenant en compte également les problématiques d'Entrées/Sorties parallèles locales aux applications a été définie. Le service aIOLi consiste en un support d'ordonnancement générique pouvant être rattaché à différentes parties d'un système de fichiers. L'exécution concurrente de jeux de tests IOR sur un serveur NFS traditionnel ont montré des améliorations particulièrement significatives pour les accès en lecture en comparaison aux performances pouvant être atteintes avec les routines POSIX ou MPI I/O.

Mes recherches concernent les outils de développement pour le calcul intensif. Une application sera dite intensive s'il faut fortement l'optimiser pour obtenir la puissance de calcul requise pour répondre aux contraintes, d'une part, de temps d'exécution et, d'autre part, de ressources de la plateforme d'exécution. De telles applications se retrouvent aussi bien dans le domaine du calcul scientifique que dans le domaine du traitement de signal intensif (télécommunications, traitement multimédia). Les difficultés de développement de telles applications sont principalement l'exploitation du parallélisme des architectures d'exécution (des supercalculateurs aux systèmes sur silicium en passant par les grappes de stations de travail), l'hétérogénéité de ces mêmes architectures et le respect des contraintes de temps et de ressources. Le but de mes recherches est de proposer des outils permettant la programmation efficace des applications de calcul intensif. Ceux-ci peuvent être des compilateurs, des paralléliseurs ou des environnements de spécification. Mes travaux ont commencé par les compilateurs paralléliseurs et s'orientent de plus en plus vers les environnements de spécification. Ces environnements comportent des compilateurs paralléliseurs. Cette évolution consiste donc à remplacer le langage de programmation et la phase d'analyse des programmes par une spécification des algorithmes de plus haut niveau et facilitant la phase d'analyse de dépendances. En effet, le but de cette analyse est de retrouver l'essence de l'algorithme codé par le programme analysé. La spécification de l'algorithme par les seules dépendances de données permet d'éliminer l'analyse de dépendances et d'avoir toute l'information nécessaire pour les optimisations du compilateur paralléliseur. Quatre principes dirigent mes recherches : 1. Programmer au plus haut niveau possible. Il ne devrait pas être de la responsabilité du programmeur de gérer les détails de l'exécution de son application. Idéalement, il devrait exprimer son algorithme et les compilateurs devraient générer le code le plus efficace possible sur l'architecture visée. 2. Promouvoir le parallélisme de données. Ce paradigme de programmation permet justement une programmation de haut niveau dans bien des cas. Il est bien adapté au calcul intensif où les traitements sont souvent réguliers et la quantité de données manipulées importante. 3. Optimiser au plus tôt dans la chaîne de développement. Je suis convaincu que plus les informations de performances et les optimisations sont faites tôt dans le développement d'une application, plus ce développement sera rapide et l'application efficace. L'environnement de conception doit donc faire apparaître ces informations si elles sont disponibles, y compris avant compilation de l'application. 4. Restreindre le domaine d'application. Il est très difficile d'optimiser tous les programmes en général. Le domaine du calcul intensif lui-même est déjà ambitieux. En se focalisant sur un domaine d'application précis, on peut espérer réduire la variété des applications et ainsi proposer des optimisations adaptées. C'est la voie que j'ai suivie dans mes recherches les plus récentes en restreignant le domaine d'application au traitement de signal intensif.

Mine clearing (or military breaching) consists in ploughing the superficial layer of the soil with a multi-tine blade located in front of a pusher vehicle: the tine destructure the soil and heave it in front of the blade which pushes it aside, with the mines inside. The aim of the present study is to perform the numerical simulation by the 3D finite element method of the highly non-linear problem of soil ploughing modeling. The numerical tool chosen for this purpose is the implicit finite element code Forge3® (devoted to Metal Forming Processes) which, thanks to its automatic re-meshing routine, is able to model large deformation. We have implemented in Forge3® two hypo-elastic-plastic models: an incompressible one for saturated fine soils, purely cohesive, and a compressible one based on the critical state concept for frictional or frictional-cohesive materials. These worksoftening material models are time-integrated by a generalized radial return technique within an implicit formulation. We show that compressibility yields a non-symmetric stiffness matrix, and that the symmetrization of the system is not robust enough, so that the non-symmetric solver Bi-CGSTAB has been implemented after comparative tests. The implemented models were validated on triaxial tests. For softening models, oscillations occurred in the stress/strain curves after the stress peak. These numerical difficulties were overcome using linearisation and regularisation techniques. As a second step, we performed numerical simulations for different kinds of tools : a single tine, a single tine + a slab of a blade, several tines and several tines + a blade. Tool displacements were simulated until a steady state was reached. This takes displacements all the larger as the tool system is wider, leading to intensive computation. Geometric parameters such as tine rake angle or system stem angle clearly influence the complex material flow patterns, in a way similar to experimental observations. Material model parameters shown dominant are those linked with the concept of critical state, i.e. corresponding to the large deformation range. Finally the global model was validated from a qualitative point of view, in terms of flow pattern and force distribution for multi-tine tools. Quantitative comparison with experiments must still be refined, returning to the constitutive model and its implementation.; Le déminage mécanique consiste à scarifier le sol avec une " charrue ", outil formé d'une lame en V munie de plusieurs dents, poussée par un engin : les dents déstructurent le sol et le font remonter devant la lame qui l'évacue sur le côté avec les mines qu'il contient. L'objectif de nos travaux est de mettre en œuvre la simulation numérique par éléments finis du problème fortement non linéaire issu de la modélisation de la scarification du sol. Le code d'éléments finis implicite Forge3®, dédié à la mise en forme des métaux, a été choisi comme support numérique. Il permet de prendre en compte les grandes déformations, en particulier à l'aide de son remaillage automatique. Nous avons dans un premier temps implanté dans ce code deux modèles élastoplastiques de comportement, l'un incompressible réservé aux sols fins saturés, purement cohésifs, l'autre compressible, fondé sur la notion d'état critique, pour les matériaux purement frottants ou cohésifs et frottants. Ces modèles adoucissants sont intégrés par un schéma de retour radial généralisé, au sein d'une formulation implicite du problème aux limites. Nous montrons que la matrice de raideur est non symétrique dans le cas compressible et que la symétrisation du système ne conduit pas à une approche robuste. Nous avons donc importé et testé un solveur itératif non-symétrique : Bi-CGSTAB. Nous avons validé la programmation de ces modèles sur des essais triaxiaux. Pour les comportements adoucissants, on constate des oscillations dans la relation contrainte/déformation passé le pic de contrainte. Ces difficultés numériques sont traitées par linéarisation et régularisation. Dans un deuxième temps, nous avons mis en œuvre des simulations de scarification pour différents niveaux de complexité : une dent seule, une dent + une tranche de lame, plusieurs dents, en faisant suffisamment avancer l'outil pour atteindre le régime stationnaire ; cela se révèle d'autant plus long que l'outil est large, ce qui nous amène au calcul très intensif. L'influence de paramètres géométriques comme l'inclinaison de la dent ou l'angle d'étrave du système a été mise en évidence, elle est qualitativement conforme aux observations expérimentales. L'étude de l'influence des paramètres des modèles de comportement montre la prépondérance de ceux liés à l'état critique, i.e. aux propriétés mécaniques après de grandes déformations. Enfin nous avons validé qualitativement le code en termes de modes d'écoulements et de répartition des efforts pour des outils multi-dents. La comparaison quantitative des efforts reste à affiner en revenant sur le comportement choisi et son implémentation.

Mine clearing (or military breaching) consists in ploughing the superficial layer of the soil with a multi-tine blade located in front of a pusher vehicle: the tine destructure the soil and heave it in front of the blade which pushes it aside, with the mines inside. The aim of the present study is to perform the numerical simulation by the 3D finite element method of the highly non-linear problem of soil ploughing modeling. The numerical tool chosen for this purpose is the implicit finite element code Forge3® (devoted to Metal Forming Processes) which, thanks to its automatic re-meshing routine, is able to model large deformation. We have implemented in Forge3® two hypo-elastic-plastic models: an incompressible one for saturated fine soils, purely cohesive, and a compressible one based on the critical state concept for frictional or frictional-cohesive materials. These worksoftening material models are time-integrated by a generalized radial return technique within an implicit formulation. We show that compressibility yields a non-symmetric stiffness matrix, and that the symmetrization of the system is not robust enough, so that the non-symmetric solver Bi-CGSTAB has been implemented after comparative tests. The implemented models were validated on triaxial tests. For softening models, oscillations occurred in the stress/strain curves after the stress peak. These numerical difficulties were overcome using linearisation and regularisation techniques. As a second step, we performed numerical simulations for different kinds of tools : a single tine, a single tine + a slab of a blade, several tines and several tines + a blade. Tool displacements were simulated until a steady state was reached. This takes displacements all the larger as the tool system is wider, leading to intensive computation. Geometric parameters such as tine rake angle or system stem angle clearly influence the complex material flow patterns, in a way similar to experimental observations. Material model parameters shown dominant are those linked with the concept of critical state, i.e. corresponding to the large deformation range. Finally the global model was validated from a qualitative point of view, in terms of flow pattern and force distribution for multi-tine tools. Quantitative comparison with experiments must still be refined, returning to the constitutive model and its implementation.; Le déminage mécanique consiste à scarifier le sol avec une " charrue ", outil formé d'une lame en V munie de plusieurs dents, poussée par un engin : les dents déstructurent le sol et le font remonter devant la lame qui l'évacue sur le côté avec les mines qu'il contient. L'objectif de nos travaux est de mettre en œuvre la simulation numérique par éléments finis du problème fortement non linéaire issu de la modélisation de la scarification du sol. Le code d'éléments finis implicite Forge3®, dédié à la mise en forme des métaux, a été choisi comme support numérique. Il permet de prendre en compte les grandes déformations, en particulier à l'aide de son remaillage automatique. Nous avons dans un premier temps implanté dans ce code deux modèles élastoplastiques de comportement, l'un incompressible réservé aux sols fins saturés, purement cohésifs, l'autre compressible, fondé sur la notion d'état critique, pour les matériaux purement frottants ou cohésifs et frottants. Ces modèles adoucissants sont intégrés par un schéma de retour radial généralisé, au sein d'une formulation implicite du problème aux limites. Nous montrons que la matrice de raideur est non symétrique dans le cas compressible et que la symétrisation du système ne conduit pas à une approche robuste. Nous avons donc importé et testé un solveur itératif non-symétrique : Bi-CGSTAB. Nous avons validé la programmation de ces modèles sur des essais triaxiaux. Pour les comportements adoucissants, on constate des oscillations dans la relation contrainte/déformation passé le pic de contrainte. Ces difficultés numériques sont traitées par linéarisation et régularisation. Dans un deuxième temps, nous avons mis en œuvre des simulations de scarification pour différents niveaux de complexité : une dent seule, une dent + une tranche de lame, plusieurs dents, en faisant suffisamment avancer l'outil pour atteindre le régime stationnaire ; cela se révèle d'autant plus long que l'outil est large, ce qui nous amène au calcul très intensif. L'influence de paramètres géométriques comme l'inclinaison de la dent ou l'angle d'étrave du système a été mise en évidence, elle est qualitativement conforme aux observations expérimentales. L'étude de l'influence des paramètres des modèles de comportement montre la prépondérance de ceux liés à l'état critique, i.e. aux propriétés mécaniques après de grandes déformations. Enfin nous avons validé qualitativement le code en termes de modes d'écoulements et de répartition des efforts pour des outils multi-dents. La comparaison quantitative des efforts reste à affiner en revenant sur le comportement choisi et son implémentation.

Programming methods and environments designed for traditional mono-processor computers are hardly usable with multi-processor, distributed memory systems, because they do not allow to cope with parallelism in such systems. To date the utilisation of parallel systems is therefore limited, for programmers are often reluctant to porting their applications manually. This document reports the development of the Eiffel Parallel Execution Environment (EPEE), which provides a framework for designing and running reusable parallel software components using the concepts of object-oriented programming.; Les méthodes et les environnements de programmation adaptés aux machines mono-processeur traditionnelles s'avèrent inutilisables avec les machines parallèles à mémoire distribuée, car ils ne permettent pas d'en maîtriser le parallélisme. À ce jour, l'utilisation de ces machines demeure donc très limitée, car les programmeurs sont en général assez réticents à l'idée de devoir y porter manuellement leurs applications. De nombreuses recherches actuelles visent à simplifier le développement des applications parallèles pour ce type de machine. Le travail effectué au cours de cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement et de l'expérimentation de l'environnement EPEE (Environnement Parallèle d'exécution de Eiffel). EPEE constitue un cadre conceptuel pour la conception et la mise en oeuvre de composants logiciels parallèles réutilisables à l'aide des mécanismes de la programmation par objets. Nous avons caractérisé les objets pouvant être distribués et exploités en parallèle dans lénvironnement EPEE, et proposé des schémas conceptuels permettant de développer de tels objets en insistant sur les points clés mis en avant dans les techniques modernes de génie logiciel, à savoir la maîtrise de la complexité (résolue par la modularisation, l'encapsulation, l'héritage), et la maintenabilité (corrective et évolutive). Nous avons ensuite appliqué ces schémas conceptuels pour développer une bibliothèque parallèle de démonstration. Cette bibliothèque expérimentale, baptisée Paladin, est dédiée au calcul d'algèbre linéaire sur machines parallèles à mémoire distribuée. Elle est en outre extensible, d'un emploi aisé, performante et portable. Ces caractéristiques confirment la viabilité de l'approche consistant à utiliser les mécanismes de la programmation par objets pour construire des bibliothèques pour machines parallèles.

Mes recherches concernent les outils de développement pour le calcul intensif. Une application sera dite intensive s'il faut fortement l'optimiser pour obtenir la puissance de calcul requise pour répondre aux contraintes, d'une part, de temps d'exécution et, d'autre part, de ressources de la plateforme d'exécution. De telles applications se retrouvent aussi bien dans le domaine du calcul scientifique que dans le domaine du traitement de signal intensif (télécommunications, traitement multimédia). Les difficultés de développement de telles applications sont principalement l'exploitation du parallélisme des architectures d'exécution (des supercalculateurs aux systèmes sur silicium en passant par les grappes de stations de travail), l'hétérogénéité de ces mêmes architectures et le respect des contraintes de temps et de ressources. Le but de mes recherches est de proposer des outils permettant la programmation efficace des applications de calcul intensif. Ceux-ci peuvent être des compilateurs, des paralléliseurs ou des environnements de spécification. Mes travaux ont commencé par les compilateurs paralléliseurs et s'orientent de plus en plus vers les environnements de spécification. Ces environnements comportent des compilateurs paralléliseurs. Cette évolution consiste donc à remplacer le langage de programmation et la phase d'analyse des programmes par une spécification des algorithmes de plus haut niveau et facilitant la phase d'analyse de dépendances. En effet, le but de cette analyse est de retrouver l'essence de l'algorithme codé par le programme analysé. La spécification de l'algorithme par les seules dépendances de données permet d'éliminer l'analyse de dépendances et d'avoir toute l'information nécessaire pour les optimisations du compilateur paralléliseur. Quatre principes dirigent mes recherches : 1. Programmer au plus haut niveau possible. Il ne devrait pas être de la responsabilité du programmeur de gérer les détails de l'exécution de son application. Idéalement, il devrait exprimer son algorithme et les compilateurs devraient générer le code le plus efficace possible sur l'architecture visée. 2. Promouvoir le parallélisme de données. Ce paradigme de programmation permet justement une programmation de haut niveau dans bien des cas. Il est bien adapté au calcul intensif où les traitements sont souvent réguliers et la quantité de données manipulées importante. 3. Optimiser au plus tôt dans la chaîne de développement. Je suis convaincu que plus les informations de performances et les optimisations sont faites tôt dans le développement d'une application, plus ce développement sera rapide et l'application efficace. L'environnement de conception doit donc faire apparaître ces informations si elles sont disponibles, y compris avant compilation de l'application. 4. Restreindre le domaine d'application. Il est très difficile d'optimiser tous les programmes en général. Le domaine du calcul intensif lui-même est déjà ambitieux. En se focalisant sur un domaine d'application précis, on peut espérer réduire la variété des applications et ainsi proposer des optimisations adaptées. C'est la voie que j'ai suivie dans mes recherches les plus récentes en restreignant le domaine d'application au traitement de signal intensif.

The emergence of multicore processors led to an increasing complexity inside the modern servers, with many cores, distributed memory banks and multiple Input/Output buses. The execution time of parallel applications depends on the efficiency of the communications between computing tasks. On recent architectures, the communication cost is largely impacted by hardware characteristics such as NUMA or cache effects. In this thesis, we propose to study and optimize high performance communication on hierarchical architectures. We first evaluate the impact of the hardware affinities on data movement, inside servers or across high-speed networks, and for multiple transfer strategies, technologies and platforms. We then propose to consider affinities between hardware and communicating tasks inside the communication libraries to improve performance and ensure their portability. To do so, we suggest to adapt the tasks binding according to the transfer method and the topology, or to adjust the data transfer strategies to a defined task distribution. Our approaches have been integrated in some main MPI implementations. They significantly reduce the communication costs and improve the overall application performance. These results highlight the importance of considering hardware topology for nowadays servers., Les architectures des machines de calcul sont de plus en plus complexes et hiérarchiques, avec des processeurs multicœurs, des bancs mémoire distribués, et de multiples bus d'entrées-sorties. Dans le cadre du calcul haute performance, l'efficacité de l'exécution des applications parallèles dépend du coût de communication entre les tâches participantes qui est impacté par l'organisation des ressources, en particulier par les effets NUMA ou de cache. Les travaux de cette thèse visent à l'étude et à l'optimisation des communications haute performance sur les architectures hiérarchiques modernes. Ils consistent tout d'abord en l'évaluation de l'impact de la topologie matérielle sur les performances des mouvements de données, internes aux calculateurs ou au travers de réseaux rapides, et pour différentes stratégies de transfert, types de matériel et plateformes. Dans une optique d'amélioration et de portabilité des performances, nous proposons ensuite de prendre en compte les affinités entre les communications et le matériel au sein des bibliothèques de communication. Ces recherches s'articulent autour de l'adaptation du placement des tâches en fonction des schémas de transfert et de la topologie des calculateurs, ou au contraire autour de l'adaptation des stratégies de mouvement de données à une répartition définie des tâches. Ce travail, intégré aux principales bibliothèques MPI, permet de réduire de façon significative le coût des communications et d'améliorer ainsi les performances applicatives. Les résultats obtenus témoignent de la nécessité de prendre en compte les caractéristiques matérielles des machines modernes pour en exploiter la quintessence.