Algorithmes à grain fin et schémas numériques pour des simulations exascales de plasmas turbulents

par Nicolas Bouzat

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Michel Mehrenberger et de Jean Roman.


  • Résumé

    Les architectures de calcul haute performance les plus récentes intègrent de plus en plus de nœuds de calcul qui contiennent eux-mêmes plus de cœurs. Les bus mémoires et les réseaux de communication sont soumis à un niveau d'utilisation critique. La programmation parallèle sur ces nouvelles machines nécessite de porter une attention particulière à ces problématiques pour l'écriture de nouveaux algorithmes. Nous analysons dans cette thèse un code de simulation de turbulences de plasma et proposons une refonte de la parallélisation de l'opérateur de gyromoyenne plus adapté en termes de distribution de données et bénéficiant d'un schéma de recouvrement calcul -- communication efficace. Les optimisations permettent un gain vis-à-vis des coûts de communication et de l’empreinte mémoire. Nous étudions également les possibilités d'évolution de ce code à travers la conception d'un prototype utilisant un modèle programmation par tâche et un schéma de communication asynchrone adapté. Cela permet d'atteindre un meilleur équilibrage de charge afin de maximiser le temps de calcul et de minimiser les communications entre processus. Un maillage réduit adaptatif en espace est proposé, diminuant le nombre de points sans pour autant perdre en précision, mais ajoutant de fait une couche supplémentaire de complexité. Ce prototype explore également une distribution de données différente ainsi qu'un maillage en géométrie complexe adapté aux nouvelles configurations des tokamaks. Les performances de différentes optimisations sont étudiées et comparées avec le code préexistant et un cas dimensionnant sur un grand nombre de cœurs est présenté.

  • Titre traduit

    Fine grain algorithm and numerical schemes for exascale simulation of turbulent plasmas


  • Résumé

    Recent high performance computing architectures come with more and more cores on a greater number of computational nodes. Memory buses and communication networks are facing critical levels of use. Programming parallel codes for those architectures requires to put the emphasize on those matters while writing tailored algorithms. In this thesis, a plasma turbulence simulation code is analyzed and its parallelization is overhauled. The gyroaverage operator benefits from a new algorithm that is better suited with regard to its data distribution and that uses a computation -- communication overlapping scheme. Those optimizations lead to an improvement by reducing both execution times and memory footprint. We also study new designs for the code by developing a prototype based on task programming model and an asynchronous communication scheme. It allows us to reach a better load balancing and thus to achieve better execution times by minimizing communication overheads. A new reduced mesh is introduced, shrinking the overall mesh size while keeping the same numerical accuracy but at the expense of more complex operators. This prototype also uses a new data distribution and twists the mesh to adapt to the complex geometries of modern tokamak reactors. Performance of the different optimizations is studied and compared to that of the current code. A case scaling on a large number of cores is given.


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