Programming models and execution models for parallel and hybrid architectures. Application to physics simulations.

Nous nous intéressons dans cette thèse aux grandes architectures parallèles hybrides, c'est-à-dire aux architectures parallèles qui sont une combinaison de processeurs généraliste (Intel Xeon par exemple) et de processeurs accélérateur (GPU Nvidia). L'exploitation efficace de ces grappes hybrides pour le calcul haute performance est au cœur de nos travaux. L'hétérogénéité des ressources de calcul au sein des grappes hybrides pose de nombreuses problématiques lorsque l'on souhaite les exploiter efficacement avec de grandes applications scientifiques existantes. Deux principales problématiques ont été traitées. La première concerne le partage des accélérateurs pour les applications MPI et la seconde porte sur la programmation et l'exécution concurrente de code entre CPU et accélérateur. Les architectures hybrides sont très hétérogènes : en fonction des architectures, le ratio entre le nombre d'accélérateurs et le nombre de coeurs CPU est très variable. Ainsi, nous avons tout d'abord proposé une notion de virtualisation d'accélérateur, qui permet de donner l'illusion aux applications qu'elles ont la capacité d'utiliser un nombre d'accélérateurs qui n'est pas lié au nombre d'accélérateurs physiques disponibles dans le matériel. Un modèle d'exécution basé sur un partage des accélérateurs est ainsi mis en place et permet d'exposer aux applications une architecture hybride plus homogène. Nous avons également proposé des extensions aux modèles de programmation basés sur MPI / threads afin de traiter le problème de l'exécution concurrente entre CPU et accélérateurs. Nous avons proposé pour cela un modèle basé sur deux types de threads, les threads CPU et accélérateur, permettant de mettre en place des calculs hybrides exploitant simultanément les CPU et les accélérateurs. Dans ces deux cas, le déploiement et l'exécution du code sur les ressources hybrides est crucial. Nous avons pour cela proposé deux bibliothèques logicielles S_GPU 1 et S_GPU 2 qui ont pour rôle de déployer et d'exécuter les calculs sur le matériel hybride. S_GPU 1 s'occupant de la virtualisation, et S_GPU 2 de l'exploitation concurrente CPU -- accélérateurs. Pour observer le déploiement et l'exécution du code sur des architectures complexes à base de GPU, nous avons intégré des mécanismes de traçage qui permettent d'analyser le déroulement des programmes utilisant nos bibliothèques. La validation de nos propositions a été réalisée sur deux grandes application scientifiques : BigDFT (simulation ab-initio) et SPECFEM3D (simulation d'ondes sismiques). Nous les avons adapté afin qu'elles puissent utiliser S_GPU 1 (pour BigDFT) et S_GPU 2 (pour SPECFEM3D).We focus on large parallel hybrid architectures based on a combination of general processors (eg Intel Xeon) and accelerators (Nvidia GPU). Using with efficiency these hybrid clusters for high performance computing is central in our work. The heterogeneity of computing resources in hybrid clusters leads to many issues when we want to use large scientific applications on it. Two main issues were addressed in this thesis. The first one concerns the sharing of accelerators for MPI applications and the second one focuses on programming and concurrent execution of application between CPUs and accelerators. Hybrid architectures are very heterogeneous: for each cluster, the ratio between the number of accelerators and the number of CPU cores can be different. Thus, we first propose a concept of accelerator virtualization, which allows applications to view an architecture in which the number of accelerators is not related to the number of physical accelerators. An execution model based on the sharing of accelerators is proposed. We also propose extensions to the programming model based on MPI + threads to address the problem of concurrent execution between CPUs and accelerators. We propose a system based on two types of threads (CPU and accelerator threads) to implement hybrid calculations simultaneously exploiting the CPU and accelerators model. In both cases, the deployment and the execution of code on hybrid resources is critical. Consequently, we propose two software libraries, called S_GPU 1 and S_GPU 2, designed to deploy and perform calculations on the hybrid hardware. S_GPU 1 deals with virtualization and S_GPU 2 allows concurrent operations on CPUs and accelerators. To observe the deployment and the execution of code on complex hybrid architectures, we integrated trace mechanisms for analyzing the progress of the programs using our libraries. The validation of our proposals has been carried out on two large scientific applications: BigDFT (ab-initio simulation) and SPECFEM3D (simulation of seismic waves)