[PDF] THÈSE 3 janv. 2014 Je remercie é

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2

Remerciements

La position initiale de ces remerciements ne doit pas fourvoyer le lecteur profane. Cette section est, en effet, la clôture d"une aventure humaine de longue haleine et a fait l"objet de ma part d"une convoitise effrénée tout au long de la rédaction de ce manuscrit. Voici donc enfin arrivé le moment de remercier toutes les personnes qui ont participé de près ou de loin à cette aventure et qui ont permis qu"elle aboutisse. Je tiens tout d"abord à remercier mon encadrant auCEADavid Lugato pour le temps

considérable qu"il m"a consacré au cours de ces trois dernières années et pour le savoir qu"il

a su me transmettre. Je remercie également mes directeurs de thèse Jean-Michel Bruel et

Ileana Ober pour leur soutien et leurs conseils.

Je souhaite remercier l"ensemble des membres du jury à qui je porte toute mon admi-

ration et dont je suis fier qu"il soit associé à cette thèse. À commencer par Robert France

et Raymond Namyst pour avoir accepté de rapporter cette thèse et m"avoir prodigué de précieux conseils. Suivis de Benoit Baudry, Jean-Marc Pierson et Bran Selic pour avoir accepter de prendre part à ma soutenance de thèse. Passons maintenant aux nombreuses personnes duCEA. En premiers lieux, je tiens à remercier tous les membres deLECpour leur bonne humeur et leur soutien : Sébastien pour

sa version des " mathématiques appliquées pour les nuls » ainsi que pour les heures passées

à lire duFortranen ma compagnie; Sébastianos qui a surement passé autant de temps à relire ce manuscrit que j"en ai passé à l"écrire; Didier pour les 108 discussions que nous avons eu surEMF; Yohan qui a toujours été là pour me remonter le moral en me montrant par l"exemple que l"on peut quand même s"en sortir lorsque le sort s"acharne contre vous; Jean-Philippe qui a vécu la difficile expérience de partager le bocal avec moi; Thierry mon

fournisseur de maillages; Fabien le développeur deVisItqui a toujours été là pour répondre

à mes questions sur la visualisation scientifique; Paul notreWikipediaà nous en version interactive; Philippe pour nos longues discussions; Christine pour avoir veillé à ce que je reste dans le droit chemin; Marc mon double et finalement Stéphane et François les maitres

incontestés de la contrepèterie et du calembour qui nous ont quitté trop tôt (pour aller dans

un autre laboratoire). Je remercie également Nicolas Koeke et Xavier Carlotti de m"avoir

accueilli au sein de leur unité respective ainsi que les différentes secrétaires qui se sont

succédées : Rosana, Axelle, Anne Pascale, Christine, Martine. Je suis très reconnaissant envers Gilles pour les versions personnalisées d"Arcane accompagnées d"une hotline. Je suis aussi sincèrement reconnaissant envers Murielle et Agnès pour m"avoir guidé dans les 3 4 méandres de l"électromagnétisme ainsi qu"à Marc, mon second double, pour nos discussions sur les incertitudes de la vie et des codes de simulation. Et puis, il y a toutes ces personnes que je remercie car elles m"ont permis de décompresser afin de garder les idées claires dans les moments difficiles. Je veux bien entendu parler des membres de la section Vovinam Viet Vo Dao : Xavier, Patrice, Jacques, les deux Jérôme, Cécile, Laure et Jonathan ainsi que des membres de la section ski : Regis, Marielle, Fabien et les autres. Il est vrai que la distance nous séparant a réduit le nombre de nos rencontres mais je tiens à remercier l"ensemble des membres de l"équipe MACAO de l"IRIT qui m"ont toujours accueilli chaleureusement lors de ces trop rares rencontres. Je remercie également Xavier, J.R. et Laurent du LaBRI pour leurs conseils et leurs vannes toujours adéquates (comme

Sheila).

Comme dans toute aventure, il y a des personnes qui vous soutiennent et d"autres dont

on aurait préféré ne jamais croiser le chemin, au sens propre comme au figuré dans le cas

présent. C"est pourquoi je tiens officiellement à ne pas remercier l"automobiliste qui, par une après-midi de novembre 2010, a décidé de jouer aux auto-tamponneuses avec moi alors que je roulais tranquillement à vélo. Finalement, je remercie l"ensemble de ma famille dont mes deux soeurs de pas avoir trop

honte de leur frère, ma nièce Lola à qui je ne cesse de répéter que les bases sont importantes

et puis mes parents qui m"ont permis de poursuivre mes études pour en arriver là. Bien sûr, il ne m"est pas concevable de conclure ces remerciements sans en adresser à Floriane

qui malgré le poids de cette thèse sur notre vie de couple a toujours été près de moi et s"est

démenée pour que le pot de la soutenance soit un moment inoubliable. 5

10-201201-20120h24h

Un modèle de ce manuscrit

11. Dates descommitseffectués pour la rédaction de ce manuscrit (jour de l"année en abscisse et heure

en ordonnée) 6

Table des matières

1 Introduction

11

I Contexte

15

2 Simulation numérique et calcul haute-performance

17

2.1 Univers de la simulation numérique

17

2.1.1 De notre perception de la réalité à la machine

1 7

2.1.2 Programme Simulation

18

2.1.3 Limites du modèle actuel

19

2.2 Architectures des supercalculateurs

22

2.2.1 Classification des architectures

22

2.2.2 Évolution des architectures

25

2.2.3 Bilan

31

3 Développement d"applications de calcul scientifique

33

3.1 Langages et outils

3 4

3.1.1 Fortran : l"origine

3 4

3.1.2 Passage de messages

35

3.1.3 Mémoire partagée

38

3.1.4 High Performance Fortran (HPF)

39

3.1.5 Partitioned Global Address Space (PGAS)

40

3.1.6 InitiativeHPCSdu DARPA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.1.7 Support d"exécution

43

3.1.8 Assemblage de composants parallèles

44

3.1.9 Parallélisme quasi-synchrone

45

3.1.10 Accélérateurs matériels

46

3.1.11 Langages dédiés

48

3.1.12 Frameworks de développement

49

3.1.13 Basé sur les modèles

51

3.1.14 Discussion

55
7

8TABLE DES MATIÈRES

3.2 Génie logiciel et calcul scientifique

55

3.2.1 Conception guidée d"applications parallèles

56

3.2.2 Cycle de développement

58

3.3 Conclusion

59

II Contribution

61

4 MDE4HPC : une approche modèle pour la simulation numérique

63

4.1 Fondements théoriques

63

4.1.1 Principes généraux de l"IDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

4.1.2 L"approcheModel Driven Architecturede l"OMG. . . . . . . . . . . .66

4.2 Définition de l"approcheMDE4HPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

4.2.1 Analyse de la situation

69

4.2.2 Proposition d"architecture

71

4.2.3 Processus de développement

74

4.3 Conclusion

75

5 Langage HPCML

77

5.1 Syntaxe abstraite

77

5.1.1 Présentation générale

77

5.1.2 Paquetagekernel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78

5.1.3 Paquetagestructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 3

5.1.4 Paquetagebehavior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88

5.1.5 Paquetageoutput. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93

5.1.6 Paquetagevalidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 4

5.1.7 Paquetageparametric. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95

5.2 Syntaxe concrète

96

5.2.1 Démarche de conception suivie

96

5.2.2 Syntaxe concrète d"un diagramme comportemental

97

5.2.3 Syntaxe concrète de la partie structurelle

104

5.3 Conclusion

104

III Outillage et évaluation

105

6 ArchiMDE : un outil pour l"approche MDE4HPC

107

6.1 Un atelier de génie logiciel basé sur la plateforme Eclipse

107

6.2 Paprika Studio

108

6.2.1 Editeur généré

109

6.2.2 Editeur générique

110

6.2.3 Comparaison des approches

110

6.3 Fonctionnement de l"outil

111

6.4 Gestion de l"algorithmique de bas niveau

113

6.4.1 Génération directe

113

6.4.2 Génération incrémentale

1 13

6.4.3 Algorithmique modèle

114

6.4.4 Synchronisation

114

6.4.5 Bilan sur le choix du mode de gestion

115

6.5 Conclusion

115

TABLE DES MATIÈRES9

7 Étude de cas : code d"électromagnétisme 3D

117

7.1 Présentation du problème simulé

11 7

7.2 Modélisation de l"application avec HPCML

11 9

7.2.1 Processus de modélisation

119

7.2.2 Aperçu général

119

7.2.3 Calcul de la matrice des contributions

12 2

7.3 Conclusion

124

8 Atteinte des critères d"évaluation

125

8.1 Portabilité

12 5

8.1.1 Cas d"un nouveau code de simulation

125

8.1.2 Cas d"un changement de machine

127

8.1.3 Remarques générales sur la portabilité

128

8.2 Abstraction et accessibilité

129

8.3 Séparation des préoccupations

130

8.4 Validation

130

8.5 Communauté et outillage

130

8.6 Évaluation globale

131

IV Perspectives et conclusion

133

9 Vers une approche globale basée sur la modélisation

135

9.1 Perspectives pour le langage HPCMLp

13 5

9.2 Perspectives pour le langage HPCMLn

13 6

9.2.1 Ajout de stratégies parallèles

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