Load balancing for parallel coupled simulations

par Maria Predari

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Jean Roman.

  • Titre traduit

    Equilibrage de la charge des simulations parallèles couplées


  • Résumé

    Dans le contexte du calcul scientique, l'équilibrage de la charge est un problème crucial qui conditionne la performance des simulations numériques parallèles. L'objectif est de répartir la charge de travail entre un nombre de processeurs donné, afin de minimiser le temps global d'exécution. Une stratégie populaire pour résoudre ce problème consiste à modéliser la simulation à l'aide d'un graphe et à appliquer des algorithmes de partitionnement. En outre, les simulations numériques tendent à se complexifier, notamment en mixant plusieurs codes représentant des physiques différentes ou des échelles différentes. On parle alors de couplage de codes multi-physiques ou multi-échelles. Dans ce contexte, le problème de l'équilibrage de charge devient également plus difficile, car il ne s'agit plus d'équilibrer chacun des codes séparément, mais l'ensemble de ces codes pris dans leur globalité. Dans ce travail, on propose de resoudre ce problème en utilisant le modèle de partitionnement à sommets fixes qui pourrait représenter efficacement les contraintes supplémentaires imposées par les codes couplés (co-partitionnement). Nous avons donc développé un algorithme direct de partitionnement de graphe qui gère des sommets fixes. L'algorithme a été implémenté dans le partitionneur Scotch et une série d'expériences ont été menées sur la collection des graphes DIMACS. Ensuite nous avons proposé trois algorithmes de co-partitionnement qui respectent les contraintes issues des codes couplés respectifs. Nous avons egalement validé nos algorithmes par une étude expérimentale en comparant nos méthodes aux strategies actuelles sur des cas artificiels ainsi que sur des codes réels couplés.


  • Résumé

    Load balancing is an important step conditioning the performance of parallel applications. The goal is to distribute roughly equal amounts of computational load across a number of processors, while minimising interprocessor communication. A common approach to model the problem is based on graph structures and graph partitioning algorithms. Moreover, new challenges involve the simulation of more complex physical phenomena, where different parts of the computational domain exhibit different physical behavior. Such simulations follow the paradigm of multi-physics or multi-scale modeling approaches. Combining such different models in massively parallel computations is still a challenge to reach high performance. Additionally, traditional load balancing algorithms are often inadequate, and more sophisticated solutions should be explored. In this thesis, we propose new graph partitioning algorithms that balance the load of such simulations, refered to as co-partitioning. We formulate this problem with the use of graph partitioning with initially fixed vertices which we believe represents efficiently the additional constraints of coupled simulations. We have therefore developed a direct algorithm for graph partitioning that manages successfully problems with fixed vertices. The algorithm is implemented inside Scotch partitioner and a series of experiments were carried out on the DIMACS graph collection. Moreover we proposed three copartitioning algorithms that respect the constraints of the respective coupled codes. We finally validated our algorithms by an experimental study comparing our methods with current strategies on artificial cases and on real-life coupled simulations.



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