Modélisation et implémentation de simulations multi-agents sur architectures massivement parallèles

par Emmanuel Hermellin

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Fabien Michel.

Le président du jury était Olivier Simonin.

Le jury était composé de Fabien Michel, Olivier Simonin, Vincent Chevrier, Alessandro Ricci, Jacques Ferber, Jean-Christophe Soulié.

Les rapporteurs étaient Vincent Chevrier, Alessandro Ricci.


  • Résumé

    La simulation multi-agent représente une solution pertinente pour l’ingénierie et l’étude des systèmes complexes dans de nombreux domaines (vie artificielle, biologie, économie, etc.). Cependant, elle requiert parfois énormément de ressources de calcul, ce qui représente un verrou technologique majeur qui restreint les possibilités d'étude des modèles envisagés (passage à l’échelle, expressivité des modèles proposés, interaction temps réel, etc.).Parmi les technologies disponibles pour faire du calcul intensif (High Performance Computing, HPC), le GPGPU (General-Purpose computing on Graphics Processing Units) consiste à utiliser les architectures massivement parallèles des cartes graphiques (GPU) comme accélérateur de calcul. Cependant, alors que de nombreux domaines bénéficient des performances du GPGPU (météorologie, calculs d’aérodynamique, modélisation moléculaire, finance, etc.), celui-ci est peu utilisé dans le cadre de la simulation multi-agent. En fait, le GPGPU s'accompagne d’un contexte de développement très spécifique qui nécessite une transformation profonde et non triviale des modèles multi-agents. Ainsi, malgré l'existence de travaux pionniers qui démontrent l'intérêt du GPGPU, cette difficulté explique le faible engouement de la communauté multi-agent pour le GPGPU.Dans cette thèse, nous montrons que, parmi les travaux qui visent à faciliter l'usage du GPGPU dans un contexte agent, la plupart le font au travers d’une utilisation transparente de cette technologie. Cependant, cette approche nécessite d’abstraire un certain nombre de parties du modèle, ce qui limite fortement le champ d’application des solutions proposées. Pour pallier ce problème, et au contraire des solutions existantes, nous proposons d'utiliser une approche hybride (l'exécution de la simulation est partagée entre le processeur et la carte graphique) qui met l'accent sur l'accessibilité et la réutilisabilité grâce à une modélisation qui permet une utilisation directe et facilitée de la programmation GPU. Plus précisément, cette approche se base sur un principe de conception, appelé délégation GPU des perceptions agents, qui consiste à réifier une partie des calculs effectués dans le comportement des agents dans de nouvelles structures (e.g. dans l’environnement). Ceci afin de répartir la complexité du code et de modulariser son implémentation. L'étude de ce principe ainsi que les différentes expérimentations réalisées montre l'intérêt de cette approche tant du point de vue conceptuel que du point de vue des performances. C'est pourquoi nous proposons de généraliser cette approche sous la forme d'une méthodologie de modélisation et d'implémentation de simulations multi-agents spécifiquement adaptée à l'utilisation des architectures massivement parallèles.

  • Titre traduit

    Modeling and implementing multi-agents based simulations on massively parallel architectures


  • Résumé

    Multi-Agent Based Simulations (MABS) represents a relevant solution for the engineering and the study of complex systems in numerous domains (artificial life, biology, economy, etc.). However, MABS sometimes require a lot of computational resources, which is a major constraint that restricts the possibilities of study for the considered models (scalability, real-time interaction, etc.).Among the available technologies for HPC (High Performance Computing), the GPGPU (General-Purpose computing on Graphics Processing Units) proposes to use the massively parallel architectures of graphics cards as computing accelerator. However, while many areas benefit from GPGPU performances (meteorology, molecular dynamics, finance, etc.). Multi-Agent Systems (MAS) and especially MABS hardly enjoy the benefits of this technology: GPGPU is very little used and only few works are interested in it. In fact, the GPGPU comes along with a very specific development context which requires a deep and not trivial transformation process for multi-agents models. So, despite the existence of works that demonstrate the interest of GPGPU, this difficulty explains the low popularity of GPGPU in the MAS community.In this thesis, we show that among the works which aim to ease the use of GPGPU in an agent context, most of them do it through a transparent use of this technology. However, this approach requires to abstract some parts of the models, what greatly limits the scope of the proposed solutions. To handle this issue, and in contrast to existing solutions, we propose to use a nhybrid approach (the execution of the simulation is shared between both the processor and graphics card) that focuses on accessibility and reusability through a modeling process that allows to use directly GPU programming while simplifying its use. More specifically, this approach is based on a design principle, called GPU delegation of agent perceptions, consists in making a clear separation between the agent behaviors, managed by the processor, and environmental dynamics, handled by the graphics card. So, one major idea underlying this principle is to identify agent computations which can be transformed in new structures (e.g. in the environment) in order to distribute the complexity of the code and modulate its implementation. The study of this principle and the different experiments conducted show the advantages of this approach from both a conceptual and performances point of view. Therefore, we propose to generalize this approach and define a comprehensive methodology relying on GPU delegation specifically adapted to the use of massively parallel architectures for MABS.


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