Accélérations algorithmiques pour la simulation numérique d’impacts de vagues. Modèles de type "roofline" pour la caractérisation des performances, application à la CFD

Algorithmic accelerations for wave impacts numerical simulation. Roofline type models for the performance characterization, application to CFD

• Auteur / Autrice : Ahmed Amine Mrabet
• Direction : Jean-Michel Ghidaglia, Philippe Thierry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 15/05/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mathématiques et de leurs applications (1990-2019 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Vianney Perchet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Ghidaglia, Philippe Thierry, Vianney Perchet, Christophe Calvin, Fayssal Benkhaldoun, Joris Costes, Laurent Brosset, Daniel Bouche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Calvin, Fayssal Benkhaldoun, Christophe Calvin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation mathématique

Simulation par ordinateur

Algorithmes

Mots clés libres

Roofline

Caractérisation

Optimisation

Compressible

Incompressible

Impacts de vague

Roofline

Characterization

Optimization

Compressible

Incompressible

Wave impacts

Résumé

Au cours de ces dernières années les processeurs sont devenus de plus en plus complexes (plusieurs niveaux de cache, vectorisation,...), l’augmentation de la complexité fait que l’étude des performances et les optimisations sont eux aussi devenus de plus en plus complexes et difficiles à comprendre. Donc développer un outil de caractérisation simple et facile d’utilisation des performances d’applications, serait de grande valeur. Le Modèle Roofline [17] promet un début de réponse à ces critères, mais reste insuffisant pour une caractérisation robuste et détaillée. Dans la première partie de cette thèse, Nous allons développer plusieurs versions améliorées du Roofline, robustes et précises, en passant par une version du Roofline en fonction du temps, des blocs et enfin la nouvelle version du Roofline introduite dans la suite de caractérisation Vtune d’Intel. Pour valider ces modèles, nous utilisons le benchmark LINPACK, STREAM ainsi qu’une mini-application développée au cours de cette thèse, qui résout l’équation de l’advection et qui servira de prototype pour l’évaluation de codes hydrodynamiques explicites. Nous portons aussi cette mini-application sur les co-processeurs d’Intel Xeon Phi KNL et KNC. Dans la deuxième partie de cette thèse nous nous intéressons à la simulation d’impact de vagues, à l’aide de codes industriels compressibles et incompressibles. Nous rajoutons plusieurs fonctionnalités dans le code compressible FluxIC, nous effectuons un chaînage de codes incompressible et compressible et enfin nous introduisons un nouveau schéma numérique appelé liquide incompressible et gaz quasi-compressible, qui permet de réaliser une simulation d’impact d’une vague via un code incompressible avec une correction compressible dans les zones où la compressibilité du gaz est importante.

During recent years computer processors have become increasingly complex (multiple levels of cache, vectorization, etc), meaning that the study of performance and optimization is also becoming more complex and difficult to understand. So a simple and easy-to-use model aimed at studying the performance of applications would be of great value. The Roofline model [17] promises to meet this criteria, but it is insufficient for robust and detailed characterization.In the first part of this thesis, several improved versions of the Roofline model, that are more robust and accurate, are developed by going through theRoofline version as a function of time and block, and finally a new Rooflinemodel is implemented in the Intel Vtune characterization suite. To validate thenew models, the LINPACK andtextitSTREAM benchmarks are used, as wellas, a mini-application developed during this thesis that solves the advectionequation and serves as a prototype for the evaluation of explicit hydrodynamicsimulation codes. This mini-application is also ported to the new Intel XeonPhi KNL and KNC co-processors.Simulation of wave impact using compressible and incompressible industrialcodes is the focus of the second part of this thesis. Several functionalities are added to the compressible FluxIC code, and a chaining of compressible andincompressible codes is carried out. Finally, a new numerical scheme called"incompressible liquid and quasi-compressible gas" is introduced, which allowsthe simulation of wave impact using an incompressible code with a compressiblecorrection in areas where gas compressibility is significant.