Développement et implémentation parallèle de méthodes d'interaction de configurations sélectionnées

Development and parallel implementation of selected configuration interaction methods

• Auteur / Autrice : Yann Garniron
• Direction : Anthony Scemama
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie Théorique
• Date : Soutenance le 03/12/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie et physique quantiques (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perturbation (théorie quantique)

Chimie quantique

Mots clés libres

Calcul parallèle

Chimie quantique

Interaction de configurations sélectionnées

Théorie des perturbations

Parallel computing

Quantum chemistry

Selected configuration interaction

Perturbation theory

Résumé

Cette thèse, ayant pour thème les algorithmes de la chimie quantique, s'inscrit dans le cade du changement de paradigme observé depuis une douzaines d'années, dans lequel les méthodes de calcul séquentielles se doivent d'être progressivement remplacées par des méthodes parallèles. En effet, l'augmentation de la fréquences des processeurs se heurtant à des barrières physiques difficilement franchissables, l'augmentation de la puissance de calcul se fait par l'augmentation du nombre d'unités de calcul. Toutefois, là où une augmentation de la fréquence conduisait mécaniquement à une exécution plus rapide d'un code, l'augmentation du nombre de cœurs peut se heurter à des barrières algorithmiques, qui peuvent nécessiter une adaptation ou un changement d'algorithme. Parmi les méthodes développées afin de contourner ce problème, on trouve en particulier celles de type Monte-Carlo (stochastiques), qui sont intrinsèquement "embarrassingly parallel", c'est à dire qu'elles sont par construction constituées d'une multitudes de tâches indépendantes, et de ce fait particulièrement adaptées aux architectures massivement parallèles. Elles ont également l'avantage, dans de nombreux cas, d'être capables de produire un résultat approché pour une fraction du coût calculatoire de l'équivalent déterministe exacte. Lors de cette thèse, des implémentations massivement parallèles de certains algorithmes déterministes de chimie quantique ont été réalisées. Il s'agit des algorithmes suivants : CIPSI, diagonalisation de Davidson, calcul de la perturbation au second ordre, shifted-Bk, et Coupled Cluster Multi Références. Pour certains, une composante stochastique a été introduite en vue d'améliorer leur efficacité. Toutes ces méthodes ont été implémentées sur un modèle de tâches distribuées en TCP, où un processus central distribue des tâches par le réseau et collecte les résultats. En d'autres termes, des nœuds esclaves peuvent être ajoutés au cours du calcul depuis n'importe quelle machine accessible depuis internet. L'efficacité parallèle des algorithmes implémentés dans cette thèse a été étudiée, et le programme a pu donner lieu à de nombreuses applications, notamment pour permettre d'obtenir des énergies de références pour des systèmes moléculaires difficiles.

This thesis, whose topic is quantum chemistry algorithms, is made in the context of the change in paradigm that has been going on for the last decade, in which the usual sequential algorithms are progressively replaced by parallel equivalents. Indeed, the increase in processors' frequency is challenged by physical barriers, so increase in computational power is achieved through increasing the number of cores. However, where an increase of frequency mechanically leads to a faster execution of a code, an increase in number of cores may be challenged by algorithmic barriers, which may require adapting of even changing the algorithm. Among methods developed to circumvent this issue, we find in particular Monte-Carlo methods (stochastic methods), which are intrinsically "embarrassingly parallel", meaning they are by design composed of a large number of independent tasks, and thus, particularly well-adapted to massively parallel architectures. In addition, they often are able to yield an approximate result for just a fraction of the cost of the equivalent deterministic, exact computation. During this thesis, massively parallel implementations of some deterministic quantum chemistry algorithms were realized. Those methods are: CIPSI, Davidson diagonalization, computation of second-order perturbation, shifted-Bk, Multi-Reference Coupled-Cluster. For some of these, a stochastic aspect was introduced in order to improve their efficiency. All of them were implemented on a distributed task model, with a central process distributing tasks and collecting results. In other words, slave nodes can be added during the computation from any location reachable through Internet. The efficiency for the implemented algorithms has been studied, and the code could give way to numerous applications, in particular to obtain reference energies for difficult molecular systems.