Thèse Stratégies de Parallélisation Éco-Efficiente pour le Calcul Haute Performance en Géosciences H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université d'Orléans
École doctorale : Mathématiques, Informatique, Physique Théorique et Ingénierie des Systèmes - MIPTIS
Laboratoire de recherche : LIFO - Laboratoire d'Informatique Fondamentale d'Orléans
Direction de la thèse : Sébastien LIMET ORCID 0000000193922626
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-17T23:59:59

Pour répondre aux besoins scientifiques, les simulations et traitements numériques en géosciences deviennent de plus en plus complexes et intensifs en calcul. Ainsi, contenir les temps de traitement est l'une des conditions de la capacité applicative de la recherche. L'autre condition est la maîtrise de la consommation énergétique.
Cette thèse a pour objet d'accélérer les calculs et de les rendre éco-efficients. Si réduire le temps d'exécution permet de diminuer directement l'empreinte énergétique de chaque simulation, il est parfois préférable de chercher le bon ratio performance/coût énergétique. Dans cette double perspective, il est important de tirer parti des architectures multi-noeuds hétérogènes, combinant CPU, GPU et unités vectorielles. L'objectif est de fournir une méthodologie générale qui sera applicable à une classe de traitements avec, au-delà de la simple portabilité, l'enjeu de définir des stratégies de parallélisation capables de maximiser l'efficacité de chaque ressource, tout en intégrant les contraintes de consommation énergétique.
Le projet de thèse vise à
1. Concevoir des stratégies de parallélisation multi-niveaux, adaptées à des architectures hétérogènes et distribuées, combinant CPU multi-coeurs, accélération GPU et vectorisation SIMD.
2. Optimiser l'ordonnancement et la répartition des tâches afin de réduire les coûts énergétiques et de maximiser l'efficacité globale. Cette optimisation prendra en compte les caractéristiques des calculs (granularité, dépendances, irrégularité) et s'appuiera sur un flux de travail permettant d'optimiser de manière transparente l'agencement des données et le placement mémoire, en limitant les transferts inutiles et les cycles d'horloge perdus.
3. Développer un framework modulaire et accessible, fondé sur un DSL, permettant aux géoscientifiques de décrire leurs chaînes de calcul sans expertise informatique avancée, et intégrant un processus de génération automatique d'un code parallèle performant et économe, adapté à l'architecture cible.
Le cadre applicatif de cette thèse concernera la modélisation géologique qui est aujourd'hui incontournable pour une représentation quantitative du sous-sol. Elle a de nombreuses applications tant dans l'exploitation et la protection des ressources du sous-sol (minéraux, eau, énergie ...) que dans son aménagement (travaux publics, stockage, jumeaux numériques ...). Elle permet en effet de poser les fondations géométriques qui vont contrôler la distribution spatiale des propriétés physiques sur lesquelles vont s'appuyer la simulation de tous les autres processus physiques.
En modélisation géologique, une classe de traitements est particulièrement coûteuses en temps de calcul. Il s'agit de l'évaluation sur les sommets d'un maillage de graphes de type Constructive Solid Geometry, dont chaque noeud est un foncteur implicite. Cette classe de traitements requiert des plateformes de calcul haute performance, en raison de la complexité des calculs et du coût variable de l'évaluation des foncteurs. Plusieurs stratégies de parallélisme peuvent être utilisées et combinées en particulier au niveau des tâches élémentaires et/ou sur l'optimisation de l'évaluation des foncteurs. Un framework de traitements permettant d'exploiter la structure de graphe (souvent arborescente) et les différentes stratégies de parallélisation qui peuvent être combinées permettraient d'adapter la parallélisation et la répartition des calculs aux ressources disponibles, tout en maîtrisant le compromis entre performance et consommation énergétique.

Cette thèse est financée par le PEPR Sous-Sol piloté par le CNRS et le BRGM. Ce PEPR vise à évaluer la demande nationale future en ressources et usages du sous-sol, à caractériser ses potentiels et à contribuer à la définition des conditions d'une utilisation responsable et durable. La thèse a pour objectifs de fournir des outils numériques pour les géosciences optimisant au mieux les ressources de calculs tout en minimisant la consommation d'énergie.