Parallélisation de simulations interactives de champs ultrasonores pour le contrôle non destructif

Parallelization of ultrasonic field simulations for non destructive testing

• Auteur / Autrice : Jason Lambert
• Direction : Lionel Lacassagne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/07/2015
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne ; 1998-2020) - Département Imagerie et Simulation pour le Contrôle (Saclay)
• Jury : Président / Présidente : Michel Paindavoine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Lacassagne, Michel Paindavoine, Didier Cassereau, Dominique Houzet, Alain Mérigot, Gilles Rougeron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Cassereau, Dominique Houzet

Mots clés

Mots clés contrôlés

CUDA (informatique)

Parallélisme (informatique)

Contrôle non destructif

Mots clés libres

Contrôle non destructif

Programmation parallèle

Simulation de champ ultrasonore

Processeurs généralistes multicoeurs

Processeurs graphiques

GPGPU

SIMD

Parallélisme (informatique)

Xeon Phi

CUDA

Manycore

Non destructive testing

Parallel programming

Ultrasonic field simulation

Multicore general purpose processors

Graphic processing units

GPGPU

SIMD

Parallelism

Xeon Phi

CUDA

Manycore

Résumé

La simulation est de plus en plus utilisée dans le domaine industriel du Contrôle Non Destructif. Elle est employée tout au long du processus de contrôle, que ce soit pour en accélérer la mise au point ou en comprendre les résultats. Les travaux menés au cours de cette thèse présentent une méthode de calcul rapide de champ ultrasonore rayonné par un capteur multi-éléments dans une pièce isotrope, permettant un usage interactif des simulations. Afin de tirer parti des architectures parallèles communément disponibles, un modèle régulier (qui limite au maximum les branchements divergents) dérivé du modèle générique présent dans la plateforme logicielle CIVA a été mis au point. Une première implémentation de référence a permis de le valider par rapport aux résultats CIVA et d'analyser son comportement en termes de performances. Le code a ensuite été porté et optimisé sur trois classes d'architectures parallèles aujourd'hui disponibles dans les stations de calcul : le processeur généraliste central (GPP), le coprocesseur manycore (Intel MIC) et la carte graphique (nVidia GPU). Concernant le processeur généraliste et le coprocesseur manycore, l'algorithme a été réorganisé et le code implémenté afin de tirer parti des deux niveaux de parallélisme disponibles, le multithreading et les instructions vectorielles. Sur la carte graphique, les différentes étapes de simulation de champ ont été découpées en une série de noyaux CUDA. Enfin, des bibliothèques de calculs spécifiques à ces architectures, Intel MKL et nVidia cuFFT, ont été utilisées pour effectuer les opérations de Transformées de Fourier Rapides. Les performances et la bonne adéquation des codes produits ont été analysées en détail pour chaque architecture. Dans plusieurs cas, sur des configurations de contrôle réalistes, des performances autorisant l'interactivité ont été atteintes. Des perspectives pour traiter des configurations plus complexes sont dressées. Enfin la problématique de l'industrialisation de ce type de code dans la plateforme logicielle CIVA est étudiée.

The Non Destructive Testing field increasingly uses simulation.It is used at every step of the whole control process of an industrial part, from speeding up control development to helping experts understand results. During this thesis, a simulation tool dedicated to the fast computation of an ultrasonic field radiated by a phase array probe in an isotropic specimen has been developped. Its performance enables an interactive usage. To benefit from the commonly available parallel architectures, a regular model (aimed at removing divergent branching) derived from the generic CIVA model has been developped. First, a reference implementation was developped to validate this model against CIVA results, and to analyze its performance behaviour before optimization. The resulting code has been optimized for three kinds of parallel architectures commonly available in workstations: general purpose processors (GPP), manycore coprocessors (Intel MIC) and graphics processing units (nVidia GPU). On the GPP and the MIC, the algorithm was reorganized and implemented to benefit from both parallelism levels, multhreading and vector instructions. On the GPU, the multiple steps of field computing have been divided in multiple successive CUDA kernels.Moreover, libraries dedicated to each architecture were used to speedup Fast Fourier Transforms, Intel MKL on GPP and MIC and nVidia cuFFT on GPU. Performance and hardware adequation of the produced algorithms were thoroughly studied for each architecture. On multiple realistic control configurations, interactive performance was reached. Perspectives to adress more complex configurations were drawn. Finally, the integration and the industrialization of this code in the commercial NDT plateform CIVA is discussed.