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NNT: 2013ENSL0836

Thèse

en vue d"obtenir le grade de

Docteur de l"Université de Lyon

délivré par l"

École Normale Supérieure de Lyon

Spécialité : Informatique

Laboratoire de l"Informatique du Parallélisme

École Doctorale Informatique et Mathématiques (ED 512) présentée et soutenue publiquement le 27 Septembre 2013 par

MonsieurMohammed El MehdiDIOURITitre :

Écacité énergétique dans le calcul trèshaute performance : application à la tolérance aux pannes et à la diusion de donnéesDirectrice de thèse :

MadameIsabelle Guérin-Lassous

Après avis de :

MonsieurChristophe Cérin

MonsieurPierre Sens

Devant le Jury composé de :

MonsieurChristophe CérinRapporteur

MonsieurOlivier GlückCo-encadrant

MadameIsabelle Guérin-LassousDirectrice

MonsieurLaurent LefèvreCo-encadrant

MonsieurJean-François MéhautPrésident

MonsieurPierre SensRapporteur

Remerciements

Tout d'abord, je tiens à remercier très sincèrement M. Olivier Glück (Maître de Conférences à l'Université Claude Bernard Lyon 1) et M. Laurent Lefèvre (Chargé de Recherches à l'INRIA) pour leur encadrement, leur disponibilité et leurs nombreux

conseils très pédagogiques qui m'ont été d'une grande utilité. Je remercie également

Mme Isabelle Guérin-Lassous (Professeur à l'Université Claude Bernard Lyon 1) pour avoir accepté de diriger ma thèse, mais aussi pour son écoute et sa disponibilité tout au long de ma thèse. J'adresse également mes remerciements à M. Christophe Cérin (Professeur à l'Université Paris XIII) et M. Pierre Sens (Professeur à l'Université Paris VI) pour avoir accepté de rapporter sur ma thèse et pour l'intérêt qu'ils ont manifesté pour mon travail. Mes remerciements vont également à M. Jean-François Méhaut (Pro- fesseur à l'Université Joseph Fourier Grenoble 1) pour avoir accepté d'être membre de mon jury de thèse. Merci à M. Franck Cappello (Directeur de Recherches à l'INRIA et Chercheur associé à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign) pour ses conseils très per- tinents ainsi que pour le travail de recherche eectué avec lui. Je remercie aussi M. Jean-Christophe Mignot (Ingénieur de Recherches au CNRS) pour toutes les discussions intéressantes que j'ai eues avec lui durant ma thèse. Je tiens à remercier M. Eddy Caron, M. Olivier Glück, Mme Anne Benoît, Mme Isabelle Guérin-Lassous et M. Nicolas Lumineau pour m'avoir coné des tâches d'enseignement dans le cadre de mon monitorat. Merci à tous les anciens membres de l'équipe RESO et à tous les membres de l'équipe AVALON, et en particulier aux responsables respectifs de ses deux équipes de recherche, M. Paulo Gonçalves (Chargé de Recherches à l'INRIA) et M. Christian Pérez (Directeur de Recherches à l'INRIA), et aux assistantes respectives de ses deux équipes de recherche, Mme Laetitia Lecot et Mme Evelyne Blesle, pour leur aide relative à l'organisation de mes missions. Merci également à tous les anciens doctorants et tous les doctorants du laboratoire LIP avec qui j'ai passé des moments conviviaux pendant mes trois années de thèse. Enn, je tiens à exprimer ma gratitude et ma reconnaissance à mes parents pour leur soutien et leurs encouragements et cela depuis mon plus jeune âge. Je tiens aussi à remercier ma femme, mon frère ainsi que toute ma famille pour les moments agréables que j'ai passés avec eux et pour leurs encouragements durant la période de ma thèse. i ii

À mes parents,

À ma femme,

À mon frère,

À toute ma famille.

iii iv

Table des matières

1 Introduction1

1.1 Services applicatifs considérés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.1 Le service de tolérance aux pannes. . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.2 Le service de diffusion de données. . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Enjeux et problématiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3 Contributions et annonce du plan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Etat de l'art11

2.1 Évaluation de la consommation énergétique lors de l"exécution d"ap-

plications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.1 Mesure de la puissance électrique. . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.2 Estimation de la consommation énergétique. . . . . . . . . . 20

2.2 Solutions pour une consommation efficace de l"énergie. . . . . . . . . 24

2.2.1 Solutions pour réduire la consommation énergétique. . . . . . 26

2.2.2 Solutions pour mieux consommer l"énergie. . . . . . . . . . . 31

2.3 Conclusions du chapitre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3 Mesure de la puissance électrique de services applicatifs37

3.1 Mesure de la puissance électrique dans les protocoles de tolérance aux

pannes et dans les algorithmes de diffusion de données. . . . . . . . 38

3.1.1 Dispositif expérimental et méthodologie. . . . . . . . . . . . . 38

3.1.2 Puissance électrique dans les protocoles de tolérance aux pannes41

3.1.3 Puissance électrique dans les algorithmes de diffusion de données45

3.1.4 Analyse des mesures électriques. . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2 Quel équipement choisir pour mesurer la puissance électrique?. . . . 49

3.2.1 Dispositif expérimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.2.2 Analyse de la consommation énergétique. . . . . . . . . . . . 52

3.2.3 Analyse de la puissance électrique. . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.2.4 Analyse des profils temporels de puissance électrique. . . . . 55

3.2.5 Discussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3 A-t-on besoin de mesurer la puissance électrique pour tous les noeuds

d"une même grappe?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.3.1 Les machines d"une même grappe ont-elles une puissance élec-

trique identique?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.3.2 Quelle est l"origine des différences de puissance électrique au

repos?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.4 Conclusions du chapitre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

v

TABLE DES MATIÈRES

4 Estimation de la consommation énergétique des services applicatifs77

4.1 Identification des opérations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.1.1 Cas de la tolérance aux pannes. . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.1.2 Cas de la diffusion de données. . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.2 Méthodologie de calibration énergétique. . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.2.1 Calibration de la puissance électriqueop. . . . . . . . . . . . 83

4.2.2 Calibration du temps d"exécutiontop. . . . . . . . . . . . . . 84

4.3 Méthodologie d"estimation énergétique. . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.3.1 Cas de la tolérance aux pannes. . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.3.2 Cas de la diffusion de données. . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.4 Validation des estimations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.4.1 Résultats de calibration de la plate-forme. . . . . . . . . . . . 93

4.4.2 Précision des estimations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.5 Conclusions du chapitre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5 Consommer moins d'énergie dans les infrastructures de calcul très

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