Modèles de programmation des applications de traitement du signal et de l'image sur cluster parallèle et hétérogène

par Farouk Mansouri

Thèse de doctorat en Signal, image, paroles, télécoms

Sous la direction de Dominique Houzet et de Sylvain Guillaume Huet.

Soutenue le 14-10-2015

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Grenoble Images parole signal automatique (laboratoire) .

Le président du jury était Tanguy Risset.

Le jury était composé de Thierry Gautier.

Les rapporteurs étaient Emmanuel Jeannot, Lionel Lacassagne.

mots clés

• Modèle de programmation
• Grille de calcul parallèle et hétérogène
• Modèle de calcul DFG
• Parallélisme de tâches parallélisme de données
• Traitement de signal et d'images
• Traitement du signal

Résumé

Depuis une dizaine d'année, l'évolution des machines de calcul tend vers des architectures parallèles et hétérogènes. Composées de plusieurs nœuds connectés via un réseau incluant chacun des unités de traitement hétérogènes, ces grilles offrent de grandes performances. Pour programmer ces architectures, l'utilisateur doit s'appuyer sur des modèles de programmation comme MPI, OpenMP, CUDA. Toutefois, il est toujours difficile d'obtenir à la fois une bonne productivité du programmeur, qui passe par une abstraction des spécificités de l'architecture et performances. Dans cette thèse, nous proposons d'exploiter l'idée qu'un modèle de programmation spécifique à un domaine applicatif particulier permet de concilier ces deux objectifs antagonistes. En effet, en caractérisant une famille d'applications, il est possible d'identifier des abstractions de haut niveau permettant de les modéliser. Nous proposons deux modèles spécifiques au traitement du signal et de l'image sur cluster hétérogène. Le premier modèle est statique. Nous lui apportons une fonctionnalité de migration de tâches. Le second est dynamique, basé sur le support exécutif StarPU. Les deux modèles offrent d'une part un haut niveau d'abstraction en modélisant les applications de traitement du signal et de l'image sous forme de graphe de flot de données et d'autre part, ils permettent d'exploiter efficacement les différents niveaux de parallélisme tâche, données, graphe. Ces deux modèles sont validés par plusieurs implémentations et comparaisons incluant deux applications de traitement de l'image du monde réel sur cluster CPU-GPU.

mots clés

• Parallel programming models
• Parallel and heterogeneous cluster
• DFG model of computation
• Task parallelism data parallelism
• Digital signal processing

Titre traduit

Programming models for signal and image processing on parallel and heterogeneous architectures

Résumé

Since a decade, computing systems evolved to parallel and heterogeneous architectures. Composed of several nodes connected via a network and including heterogeneous processing units, clusters achieve high performances. To program these architectures, the user must rely on programming models such as MPI, OpenMP or CUDA. However, it is still difficult to conciliate productivity provided by abstracting the architectural specificities, and performances. In this thesis, we exploit the idea that a programming model specific to a particular domain of application can achieve these antagonist goals. In fact, by characterizing a family of application, it is possible to identify high level abstractions to efficiently model them. We propose two models specific to the implementation of signal and image processing applications on heterogeneous clusters. The first model is static. We enrich it with a task migration feature. The second model is dynamic, based on the StarPU runtime. Both models offer firstly a high level of abstraction by modeling image and signal applications as a data flow graph and secondly they efficiently exploit task, data and graph parallelisms. We validate these models with different implementations and comparisons including two real-world applications of images processing on a CPU-GPU cluster.