Parallélisation et optimisation d'un simulateur de morphogénèse d'organes. Application aux éléments du rein

For some years, living matter modeling has been a major challenge which needs more and more research in the simulation field. Indeed, the use of models of living matter have multiple applications: decision making aid in environment or ecology, teaching tools, decision making aid for physician, research aid for new pharmaceutical treatment and “predictive” biology, etc. But before being able to tackle all these issues, the development of a correct model, able to give answer about specific questions, is needed. Working with complex systems –biologic system being the archetype of them– raises various modeling and simulation issues. It is in this context that the Integrative BioComputing (IBC) company have been elaborating, since the early 2000s, the prototype of a generic platform for modeling and simulation (PGMS). Its goal is to provide a platform used to easily model and simulate biological process of a full organism, including its organs. Since the PGMS was still in its development stage at the start of my PhD, the application performance prevented the modeling and simulation of large biological components in an acceptable time. Therefore, it has been decide to optimize and parallelize its computation to increase significantly the PGMS performances. The goal was to enable the use of the PGMS to model and simulate full organs in acceptable times. During my PhD, I had to work on various aspects of the modeling and simulation of biological systems to increase their process speed. Since the most costly process during the PGMS execution was the computation of chemical fields, I had to study the opportunity of parallelizing this process. Among the various hardware architectures available to parallelize this application, we chose to use graphical processing units for general purpose computation (GPGPUs). This choice was motivated, beside other reasons, by the low cost of the hardware compared to its massive computation power, making it one of the most affordable parallel architecture on the market. Since the results of the initial feasibility study were conclusive, the parallelization of the fields computation has been integrated into the PGMS. In parallel to this work, I also worked on optimizing the sequential performance of the application. All these works lead to an increase of the software performances achieving a speed-up of 18.12x for the longest simulation (from 16 minutes for the non-optimized version with one CPU core to 53 seconds for the optimized version, still using only one core on the CPU but also a GPU GTX500). The other major aspect of my work was to increase the algorithmic performances for the simulation of three-dimensional cellular automata. In fact, these automata allow the simulation of biological behavior as they can be used to implement various mechanisms of a model such as multi-scale interactions. The research work consisted mainly in proposing original algorithms to improve the simulation provided by IBC on the PGMS. The sequential speed increase, thanks to the three-dimensional Hash Life implementation, and the parallelization on GPGPU has been studied together and achieved major computation time improvement.Depuis plusieurs dizaines d’années, la modélisation du vivant est un enjeu majeur qui nécessite de plus en plus de travaux dans le domaine de la simulation. En effet, elle ouvre la porte à toute une palette d’applications : l’aide à la décision en environnement et en écologie, l’aide à l’enseignement, l’aide à la décision pour les médecins, l’aide à la recherche de nouveaux traitements pharmaceutiques et la biologie dite « prédictive », etc. Avant de pouvoir aborder un problème, il est nécessaire de pouvoir modéliser de façon précise le système biologique concerné en précisant bien les questions auxquelles devra répondre le modèle. La manipulation et l’étude de systèmes complexes, les systèmes biologiques en étant l’archétype, pose, de façon générale, des problèmes de modélisation et de simulation. C’est dans ce contexte que la société Integrative BioComputing (IBC) développe depuis le début des années 2000 un prototype d’une Plateforme Générique de Modélisation et de Simulation (la PGMS) dont le but est de fournir un environnement pour modéliser et simuler plus simplement les processus et les fonctions biologiques d’un organisme complet avec les organes le composant. La PGMS étant une plateforme générique encore en phase de développement, elle ne possédait pas les performances nécessaires pour permettre de réaliser la modélisation et la simulation d’éléments importants dans des temps suffisamment courts. Il a donc été décidé, afin d’améliorer drastiquement les performances de la PGMS, de paralléliser et d’optimiser l’implémentation de celle-ci ; le but étant de permettre la modélisation et la simulation d’organes complets dans des temps acceptables. Le travail réalisé au cours de cette thèse a donc consisté à traiter différents aspects de la modélisation et de la simulation de systèmes biologiques afin d’accélérer les traitements de ceux-ci. Le traitement le plus gourmand en termes de temps de calcul lors de l’exécution de la PGMS, le calcul des champs physicochimiques, a ainsi fait l’objet d’une étude de faisabilité de sa parallélisation. Parmi les différentes architectures disponibles pour paralléliser une telle application, notre choix s’est porté sur l’utilisation de GPU (Graphical Processing Unit) à des fins de calculs généralistes aussi couramment appelé GPGPU (General-Purpose computation on Graphics Processing Units). Ce choix a été réalisé du fait, entre autres, du coût réduit du matériel et de sa très grande puissance de calcul brute qui en fait une des architectures de parallélisation les plus accessibles du marché. Les résultats de l’étude de faisabilité étant particulièrement concluant, la parallélisation du calcul des champs a ensuite été intégrée à la PGMS. En parallèle, nous avons également mené des travaux d’optimisations pour améliorer les performances séquentielles de la PGMS. Le résultat de ces travaux est une augmentation de la vitesse d’exécution d’un facteur 18,12x sur les simulations les plus longues (passant de 16 minutes pour la simulation non optimisée utilisant un seul cœur CPU à 53 secondes pour la version optimisée utilisant toujours un seul cœur CPU mais aussi un GPU GTX500). L’autre aspect majeur traité dans ces travaux a été d’améliorer les performances algorithmiques pour la simulation d’automates cellulaires en trois dimensions. En effet, ces derniers permettent aussi bien de simuler des comportements biologiques que d’implémenter des mécanismes de modélisation tels que les interactions multi-échelles. Le travail de recherche s’est essentiellement effectué sur des propositions algorithmiques originales afin d’améliorer les simulations réalisées par IBC sur la PGMS. L’accélération logicielle, à travers l’implémentation de l’algorithme Hash‑Life en trois dimensions, et la parallélisation à l’aide de GPGPU ont été étudiées de façon concomitante et ont abouti à des gains très significatifs en temps de calcul