Contributions à l'amélioration de l'extensibilité de simulations parallèles de plasmas turbulents

Energy needs around the world still increase despite the resources needed to produce fossil energy drain off year after year. An alternative way to produce energy is by nuclear fusion through magnetic confinement. Mastering this reaction is a challenge and represents an active field of the current research. In order to improve our understanding of the phenomena which occur during a fusion reaction, experiment and simulation are both put to use. The performed experiments, thanks to Tokamaks, allow some experimental reading. The process of experimental measurements is of great complexity and requires the use of the most advanced available technologies. Currently, these measurements do not give access to all scales of time and space of physical phenomenon. Numerical simulation permits the exploration of these scales which are still unreachable through experiment. An extreme computing power is mandatory to perform realistic simulations. The use of High Performance Computing (HPC) is necessary to access simulation of realistic cases. This requirement means the use of large computers, also known as supercomputers. The works realized through this thesis focuses on the optimization of the Gysela code which simulates a plasma turbulence. Optimization of a scientific application concerns mainly one of the three following points : (i ) the simulation of larger meshes, (ii ) the reduction of computing time and (iii ) the enhancement of the computation accuracy. The first part of this manuscript presents the contributions relative to simulation of larger mesh. Alike many simulation codes, getting more realistic simulations is often analogous to refine the meshes. The finer the mesh the larger the memory consumption. Moreover, during these last few years, the supercomputers had trend to provide less and less memory per computer core. For these reasons, we have developed a library, the libMTM (Modeling and Tracing Memory), dedicated to study precisely the memory consumption of parallel softwares. The libMTM tools allowed us to reduce the memory consumption of Gysela and to study its scalability. As far as we know, there is no other tool which provides equivalent features which allow the memoryscalability study. The second part of the manuscript presents the works relative to the optimization of the computation time and the improvement of accuracy of the gyroaverage operator. This operator represents a corner stone of the gyrokinetic model which is used by the Gysela application. The improvement of accuracy emanates from a change in the computing method : a scheme based on a 2D Hermite interpolation substitutes the Padé approximation. Although the new version of the gyroaverage operator is more accurate, it is also more expensive in computation time than the former one. In order to keep the simulation in reasonable time, diferent optimizations have been performed on the new computing method to get it competitive. Finally, we have developed a MPI parallelized version of the new gyroaverage operator. The good scalability of this new gyroaverage computer will allow, eventually, a reduction of MPI communication costs which are penalizing in Gysela.Les besoins en énergie dans le monde sont croissants alors que les ressources nécessaires pour la production d'énergie fossile s'épuisent d'année en année. Un des moyens alternatifs pour produire de l'énergie est la fusion nucléaire par confinement magnétique. La maîtrise de cette réaction est un défi et constitue un domaine actif de recherche. Pour améliorer notre connaissance des phénomènes qui interviennent lors de la réaction de fusion, deux approches sont mises en oeuvre : l'expérience et la simulation. Les expérience réalisées grâce aux Tokamaks permettent de prendre des mesures. Ceci nécessite l'utilisation des technologiques les plus avancées. Actuellement, ces mesures ne permettent pas d'accéder à toutes échelles de temps et d'espace des phénomènes physiques. La simulation numérique permet d'explorer ces échelles encore inaccessibles par l'expérience. Les ressources matérielles qui permettent d'effectuer des simulations réalistes sont conséquentes. L'usage du calcul haute performance (High Performance Computing HPC) est nécessaire pour avoir accès à ces simulations. Ceci se traduit par l'exploitation de grandes machines de calcul aussi appelées supercalculateurs. Les travaux réalisés dans cette thèse portent sur l'optimisation de l'application Gysela qui est un code de simulation de turbulence de plasma. L'optimisation d'un code de calcul scientifique vise classiquement l'un des trois points suivants : (i ) la simulation de plus grand domaine de calcul, (ii ) la réduction du temps de calcul et (iii ) l'amélioration de la précision des calculs. La première partie de ce manuscrit présente les contributions concernant la simulation de plus grand domaine. Comme beaucoup de codes de simulation, l'amélioration de la précision de la simulation est souvent synonyme de raffinement du maillage. Plus un maillage est fin, plus la consommation mémoire est grande. De plus, durant ces dernières années, les supercalculateurs ont eu tendance à disposer de moins en moins de mémoire par coeur de calcul. Pour ces raisons, nous avons développé une bibliothèque, la libMTM (Modeling and Tracing Memory), dédiée à l'étude précise de la consommation mémoire d'applications parallèles. Les outils de la libMTM ont permis de réduire la consommation mémoire de Gysela et d'étudier sa scalabilité. À l'heure actuelle, nous ne connaissons pas d'autre outil qui propose de fonctionnalités équivalentes permettant une étude précise de la scalabilité mémoire. La deuxième partie de ce manuscrit présente les travaux concernant l'optimisation du temps d'exécution et l'amélioration de la précision de l'opérateur de gyromoyenne. Cet opérateur est fondamental dans le modèle gyromagnétique qui est utilisé par l'application Gysela. L'amélioration de la précision vient d'un changement de la méthode de calcul : un schéma basé sur une interpolation de type Hermite vient remplacer l'approximation de Padé. Il s'avère que cette nouvelle version de l'opérateur est plus précise mais aussi plus coûteuse en terme de temps de calcul que l'opérateur existant. Afin que les temps de simulation restent raisonnables, différentes optimisations ont été réalisées sur la nouvelle méthode de calcul pour la rendre très compétitive. Nous avons aussi développé une version parallélisée en MPI du nouvel opérateur de gyromoyenne. La bonne scalabilité de cet opérateur de gyromoyenne permettra, à terme, de réduire des coûts en communication qui sont pénalisants dans une application parallèle comme Gysela

A semi-automatic 2D/3D annotation framework for the geometric analysis of heritage artefacts

International audienceDocumentation and monitoring of heritage objects involve many actors on multidisciplinary aspects. The progress made over the years in the field of digital technologies has enabled many tools for analysis, management and dissemination of information gathered around an object. These tools must allow users to semantically describe the object while allowing them to grasp its morphological complexity and the heterogeneity of the available analysis supports. This article introduces an approach for the semantic annotation of heritage objects by using the bijective relationship that can be established between a 3D representation of an object and the set of oriented images towards it, while maintaining a continuum of information between all phases of observation and description, from acquisition to visualization of semantically enriched representations. The main idea is to offer a versatile environment to help extraction of relevant information from images using geometric descriptors and semi-automatic point cloud processing methods

Gyroaverage operator for a polar mesh

International audienceIn this work, we are concerned with numerical approximation of the gyroaverage operators arising in plasma physics to take into account the effects of the finite Larmor radius corrections. The work initiated in [5] is extended here to polar geometries. A direct method is proposed in the space configuration which consists in integrating on the gyrocircles using interpolation operator (Hermite or cubic splines). Numerical comparisons with a standard method based on a Padé approximation are performed: (i) with analytical solutions, (ii) considering the 4D drift-kinetic model with one Larmor radius and (iii) on the classical linear DIII-D benchmark case [6]. In particular, we show that in the context of a drift-kinetic simulation, the proposed method has similar computational cost as the standard method and its precision is independent of the radius. PACS. PACS-key discribing text of that key – PACS-key discribing text of that ke

Towards highly scalable parallel simulations for turbulent plasma physics

Les besoins en énergie dans le monde sont croissants alors que les ressources nécessaires pour la production d'énergie fossile s'épuisent d'année en année. Un des moyens alternatifs pour produire de l'énergie est la fusion nucléaire par confinement magnétique. La maîtrise de cette réaction est un défi et constitue un domaine actif de recherche. Pour améliorer notre connaissance des phénomènes qui interviennent lors de la réaction de fusion, deux approches sont mises en oeuvre : l'expérience et la simulation. Les expérience réalisées grâce aux Tokamaks permettent de prendre des mesures. Ceci nécessite l'utilisation des technologiques les plus avancées. Actuellement, ces mesures ne permettent pas d'accéder à toutes échelles de temps et d'espace des phénomènes physiques. La simulation numérique permet d'explorer ces échelles encore inaccessibles par l'expérience. Les ressources matérielles qui permettent d'effectuer des simulations réalistes sont conséquentes. L'usage du calcul haute performance (High Performance Computing HPC) est nécessaire pour avoir accès à ces simulations. Ceci se traduit par l'exploitation de grandes machines de calcul aussi appelées supercalculateurs. Les travaux réalisés dans cette thèse portent sur l'optimisation de l'application Gysela qui est un code de simulation de turbulence de plasma. L'optimisation d'un code de calcul scientifique vise classiquement l'un des trois points suivants : (i ) la simulation de plus grand domaine de calcul, (ii ) la réduction du temps de calcul et (iii ) l'amélioration de la précision des calculs. La première partie de ce manuscrit présente les contributions concernant la simulation de plus grand domaine. Comme beaucoup de codes de simulation, l'amélioration de la précision de la simulation est souvent synonyme de raffinement du maillage. Plus un maillage est fin, plus la consommation mémoire est grande. De plus, durant ces dernières années, les supercalculateurs ont eu tendance à disposer de moins en moins de mémoire par coeur de calcul. Pour ces raisons, nous avons développé une bibliothèque, la libMTM (Modeling and Tracing Memory), dédiée à l'étude précise de la consommation mémoire d'applications parallèles. Les outils de la libMTM ont permis de réduire la consommation mémoire de Gysela et d'étudier sa scalabilité. À l'heure actuelle, nous ne connaissons pas d'autre outil qui propose de fonctionnalités équivalentes permettant une étude précise de la scalabilité mémoire. La deuxième partie de ce manuscrit présente les travaux concernant l'optimisation du temps d'exécution et l'amélioration de la précision de l'opérateur de gyromoyenne. Cet opérateur est fondamental dans le modèle gyromagnétique qui est utilisé par l'application Gysela. L'amélioration de la précision vient d'un changement de la méthode de calcul : un schéma basé sur une interpolation de type Hermite vient remplacer l'approximation de Padé. Il s'avère que cette nouvelle version de l'opérateur est plus précise mais aussi plus coûteuse en terme de temps de calcul que l'opérateur existant. Afin que les temps de simulation restent raisonnables, différentes optimisations ont été réalisées sur la nouvelle méthode de calcul pour la rendre très compétitive. Nous avons aussi développé une version parallélisée en MPI du nouvel opérateur de gyromoyenne. La bonne scalabilité de cet opérateur de gyromoyenne permettra, à terme, de réduire des coûts en communication qui sont pénalisants dans une application parallèle comme Gysela.Energy needs around the world still increase despite the resources needed to produce fossil energy drain off year after year. An alternative way to produce energy is by nuclear fusion through magnetic confinement. Mastering this reaction is a challenge and represents an active field of the current research. In order to improve our understanding of the phenomena which occur during a fusion reaction, experiment and simulation are both put to use. The performed experiments, thanks to Tokamaks, allow some experimental reading. The process of experimental measurements is of great complexity and requires the use of the most advanced available technologies. Currently, these measurements do not give access to all scales of time and space of physical phenomenon. Numerical simulation permits the exploration of these scales which are still unreachable through experiment. An extreme computing power is mandatory to perform realistic simulations. The use of High Performance Computing (HPC) is necessary to access simulation of realistic cases. This requirement means the use of large computers, also known as supercomputers. The works realized through this thesis focuses on the optimization of the Gysela code which simulates a plasma turbulence. Optimization of a scientific application concerns mainly one of the three following points : (i ) the simulation of larger meshes, (ii ) the reduction of computing time and (iii ) the enhancement of the computation accuracy. The first part of this manuscript presents the contributions relative to simulation of larger mesh. Alike many simulation codes, getting more realistic simulations is often analogous to refine the meshes. The finer the mesh the larger the memory consumption. Moreover, during these last few years, the supercomputers had trend to provide less and less memory per computer core. For these reasons, we have developed a library, the libMTM (Modeling and Tracing Memory), dedicated to study precisely the memory consumption of parallel softwares. The libMTM tools allowed us to reduce the memory consumption of Gysela and to study its scalability. As far as we know, there is no other tool which provides equivalent features which allow the memoryscalability study. The second part of the manuscript presents the works relative to the optimization of the computation time and the improvement of accuracy of the gyroaverage operator. This operator represents a corner stone of the gyrokinetic model which is used by the Gysela application. The improvement of accuracy emanates from a change in the computing method : a scheme based on a 2D Hermite interpolation substitutes the Padé approximation. Although the new version of the gyroaverage operator is more accurate, it is also more expensive in computation time than the former one. In order to keep the simulation in reasonable time, diferent optimizations have been performed on the new computing method to get it competitive. Finally, we have developed a MPI parallelized version of the new gyroaverage operator. The good scalability of this new gyroaverage computer will allow, eventually, a reduction of MPI communication costs which are penalizing in Gysela

Amélioration de la Scalabilité Mémoire du code GYSELA

International audienceLes simulations gyrocinétiques nécessitent d'importants moyens de calcul. Jusqu'à présent, le code semi-Lagrangien GYSELA réalise des simulations sur quelques dizaines de milliers de coeurs de calcul (65k coeurs). Mais pour comprendre plus finement la nature de la turbulence des plasmas, nous devons raffiner la résolution de nos maillages, ce qui fera de GYSELA un candidat sérieux pour exploiter la puissance des futurs machines de type Exascale. Le fait d'avoir moins de mémoire par coeur est une des difficultés majeures des machines envisagées pour l'Exascale. Cet article porte sur la réduction du pic mémoire. Il présente aussi une approche pour comprendre le comportement mémoire d’une application utilisant de très grands maillages. Ceci nous permet d’extrapoler dès maintenant le comportement de GYSELA sur desconfigurations de type Exascale

Passage à l’Échelle Mémoire et Impact des Allocations Dynamiques dans l’Application GYSELA

TSI (numéro spécial ComPAS'14)National audienceRÉSUMÉ. Les simulations gyrocinétiques nécessitent d'importants moyens de calcul. Jusqu'à présent, le code semi-Lagrangien GYSELA réalise des simulations sur quelques dizaines de milliers de coeurs de calcul (65k coeurs). Mais pour comprendre plus finement la nature de la turbulence des plasmas, nous devons raffiner la résolution de nos maillages, ce qui fera de GYSELA un candidat sérieux pour exploiter la puissance des futures machines de type Exas-cale. Le fait d'avoir moins de mémoire par coeur est une des difficultés majeures des machines envisagées pour l'Exascale. Cet article porte sur la réduction du pic mémoire. Il présente aussi une approche pour comprendre le comportement mémoire d'une application utilisant de très grands maillages. Ceci nous permet d'extrapoler dès maintenant le comportement de GYSELA sur des configurations de type Exascale. ABSTRACT. Gyrokinetic simulations lead to huge computational needs. Up to now, the Semi-Lagrangian code GYSELA performs large simulations using up to 65k cores. To understand more accurately the nature of plasma turbulence, finer resolutions are necessary which make GYSELA a good candidate to exploit the computational power of future Extreme scale machines. Among the Exascale challenges, the less memory per core is one of the most critical issues. This paper deals with memory management in order to reduce the memory peak and presents a general method to understand the memory behavior of an application when dealing with very large meshes. This enables us to extrapolate the behavior of GYSELA for expected capabilities of Extreme scale machines. MOTS-CLÉS : Exascale, Passage à l'échelle mémoire, Réduction de l'empreinte mémoire, Allocation dynamique, Physique des plasmas

Parallélisation de l’opérateur de gyromoyenne basé sur l’interpolation d’Hermite

Gyrokinetic modeling is appropriate for describing plasma turbulence in the core of Tokamaks, and the gyroaverage operator is a cornerstone of this approach. In a gyrokinetic code the gyroaveraging scheme needs to be accurate enough, but also requires a low computational cost because it is often applied on the main unknown, namely the 5D guiding-center distribution function, as well as on several 3D fields. The current gyroaverage implementation used in the Gysela code has recently been improved, enhancing the precision of the operator thanks to Hermite interpolation. In the present paper, we describe a new parallelization scheme for the gyroaverage operator. It mainly avoids costly transpositions of the full 5D function using halo exchange instead. Though the computational cost remains the same, the communication one is much smaller. The overall algorithm is also improved by cleverly interleaving communications and computations, thus allowing for a reduction of communication costs and a more efficient thread parallelization. The execution time with this algorithm is up to twice as fast as the previous version. The benefit of an improved scheme providing the overlap of communications by computations is also shown, again improving execution times. The description of the algorithms is given, together with an analysis of the achieved performance.L’opérateur de gyromoyenne est un composant central du modèle gyrocinétiquequi permet de modéliser certaines turbulences du plasma au coeur d’un tokamak. Dans un codegyrocinétique, l’opérateur de gyromoyenne doit, d’une part être suffisamment précis et d’autrepart, conserver un coût de calcul faible. En effet, cet opérateur est appliqué plusieurs fois parpas de temps sur la fonction de distribution 5D des centres guides, qui est l’inconnue principale,ainsi que sur plusieurs champs 3D. L’implémentation actuelle dans le code Gysela a récemmentété améliorée, [11], conduisant à une meilleure précision de l’opérateur grâce à l’interpolationd’Hermite. Dans cet article, nous présentons un nouveau schéma de parallélisation de cet opérateurde gyromoyenne. Celui-ci permet d’éviter de coûteuses transpositions de l’ensemble de lafonction 5D en utilisant des zones fantômes. La quantité de calcul reste la même, mais le volumede données échangé est grandement réduit. L’algorithme d’application de la gyromoyenne surl’ensemble de la fonction 5D est également amélioré en entrelaçant calculs et communicationsafin de réduire encore les coûts de communication et d’améliorer l’efficacité de la parallélisationpar thread. Le temps d’exécution de ce nouvel algorithme est ainsi réduit de moitié par rapportà la version précédente. Une stratégie de recouvrement calcul/communication est mise en œuvreet permet à nouveau d’améliorer les performances. Les algorithmes introduits sont détaillés etles performances obtenues sont analysées et expliquées sur un cas de calcul dimensionnant

A New Parallelization Scheme for the Hermite Interpolation Based Gyroaverage Operator

International audienceGyrokinetic modeling is appropriate for describing plasma turbulence in the core of Tokamaks, and the gyroaverage operator is a cornerstone of this approach. In a gyrokinetic code the gyroaveraging scheme needs to be accurate enough, but also requires a low computational cost because it is often applied on the main unknown, namely the 5D guiding-center distribution function, as well as on several 3D fields. The current gyroaverage implementation used in the GYSELA code has recently been improved [6], enhancing the precision of the operator thanks to Hermite interpolation. In the present paper, we describe a new parallelization scheme for the gyroaverage operator. It mainly avoids costly transpositions of the full 5D function using halo exchange instead. Though the computational cost remains the same, the communication one is much smaller. The overall algorithm is also improved by cleverly interleaving communications and computations, thus allowing for a reduction of communication costs and a more efficient thread parallelization. The execution time with this algorithm is up to twice as fast as the previous version. The benefit of an improved scheme providing the overlap of communications by computations is also shown, again improving execution times. The description of the algorithms is given, together with an analysis of the achieved performance

An approach to increase reliability of HPC simulation, application to the G

Reproducibility of results is a strong requirement in most fields of research for experimental results to be called science. For results obtained through simulation software using high performance computing (HPC) this translates as code quality requirements. While there are many works focusing on software quality, these typically do not take the specificities of HPC scientific simulation softwareinto account. This paper presents an approach to introduce quality procedures in HPC scientific simulation softwarewhile remaining the less invasive as possible so as to ease its adoption. The approach relies on quality procedures including human code review and automated testing and offers a dedicated procedure to help correct defects found this way. These procedures are integrated in a development work-flow designed to improve the traceability of defects. By implementing this approach for the development of the Gysel

A semi-automatic 2D/3D annotation framework for the geometric analysis of heritage artefacts

International audienceDocumentation and monitoring of heritage objects involve many actors on multidisciplinary aspects. The progress made over the years in the field of digital technologies has enabled many tools for analysis, management and dissemination of information gathered around an object. These tools must allow users to semantically describe the object while allowing them to grasp its morphological complexity and the heterogeneity of the available analysis supports. This article introduces an approach for the semantic annotation of heritage objects by using the bijective relationship that can be established between a 3D representation of an object and the set of oriented images towards it, while maintaining a continuum of information between all phases of observation and description, from acquisition to visualization of semantically enriched representations. The main idea is to offer a versatile environment to help extraction of relevant information from images using geometric descriptors and semi-automatic point cloud processing methods