Multiprogrammation parallèle générique des méthodes de décomposition de domaine

Generic parallel multithreaded programming of domain decomposition methods

• Auteur / Autrice : Andréa Schwertner Charão
• Direction : Brigitte Plateau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique. Systèmes et communications
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Informatique et distribution (Grenoble1999-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Multiprogrammation

Mots clés libres

Multiprogrammation

Processus légers

Méthodes de décomposition de domaine

Résolution d'équations aux dérivées partielles

Parallélisme

Programmation générique

Grappes de multiprocesseurs

Parallel multithreaded programming

Domain decomposition methods

Numerical solution of partial differential equations

Generic programming

Clusters of multiprocessors

Résumé

Les applications de simulation numérique nécessitant la résolution de problèmes d'Équations aux Dérivées Partielles (EDP) sont souvent parallélisées à l'aide d'une méthode de décomposition de domaine. Ces méthodes mathématiques sont naturellement ouvertes au parallélisme, cependant leur exploitation efficace sur les machines parallèles devient difficile lorsque les applications ont un comportement irrégulier. C'est le cas par exemple lorsque les problèmes mathématiques sont résolus dans des domaines géométriques complexes ou lorsque l'on utilise des techniques d'adaptation de maillage. Une technique de programmation se prêtant bien à la mise en oeuvre d'applications irrégulières est la multiprogrammation basée sur des réseaux de processus légers communicants. Dans cette thèse nous réalisons une étude approfondie de l'apport de ce paradigme de programmation à la résolution de problèmes d'EDP par des méthodes de décomposition de domaine et nous montrons qu'il existe une écriture algorithmique générique de celles-ci. Une de nos principales contributions réside dans la conception et réalisation d'un harnais informatique, appelé Ahpik, permettant une programmation aisée d'applications reposant sur les méthodes de décomposition de domaine. Ce harnais fournit un support générique adaptable à de nombreuses méthodes mathématiques, qu'elles soient synchrones ou asynchrones, avec ou sans recouvrement. Une conception orientée objet permet d'encapsuler les détails de gestion des processus légers et des communications, ce qui facilite l'implantation de nouvelles méthodes. Nous avons utilisé l'environnement Ahpik dans le cadre de la résolution de problèmes d'EDP classiques et notamment pour un problème en mécanique de fluides de grande taille.

Numerical simulation applications requiring the resolution of Partial Differential Equation (PDE) problems are often parallelized using domain decomposition methods. These mathematical methods are well adapted to parallel computing, however their effective exploitation on parallel machines becomes difficult when the applications have an irregular behavior. This is the case for example when the mathematical problems are solved over complex geometries or when one uses mesh refinement techniques. A programming technique that is useful to cope with irregular parallel applications is multithreading. In this thesis we perform a thorough study on the use of this programming paradigm for solving PDE problems through domain decomposition methods, and we show that a generic algorithmic writing of this methods is possible. One of our main contributions resides in the design and implementation of a programming harness called Ahpik, allowing for easy development of applications relying on domain decomposition methods. This programming environment provides a generic support that is adaptable to many mathematical methods, which can be synchronous or asynchronous, overlapping or non-overlapping. Its object-oriented design allows to encapsulate implementation details concerning the management of threads and communications, which eases the task of developing new methods. We validate the Ahpik environment in the context of the resolution of some classical PDE problems and in particular for one large problem in computational fluid dynamics.