Dans un contexte où le calcul haute performance (HPC) est en perpétuelle évolution, le design des nouveaux supercalculateurs tend à intégrer toujours plus d’accélérateurs ou de cartes graphiques (GPU). L'un des enjeux majeurs des prochaines années est la refonte des algorithmes et le portage des codes de simulation numérique sur cartes graphiques. Ceci demande de revisiter les codes de simulation actuels, en particulier les codes de simulation modélisant le comportement du combustible nucléaire.

Depuis plusieurs années, le CEA a développé la plateforme de calcul PLEIADES dédiée à la simulation du comportement des combustibles, depuis la fabrication jusqu’au comportement en réacteur, puis lors du stockage. Elle inclut une parallélisation en mémoire distribuée MPI permettant une parallélisation sur plusieurs centaines de cœurs. Cette plateforme répond aux exigences des partenaires du CEA que sont EDF et Framatome, mais il est nécessaire de l’adapter pour les nouvelles infrastructures de calcul. Proposer une solution flexible, portable et performante pour les simulations sur des supercalculateurs équipés de GPU est d'un intérêt majeur afin de capturer des physiques toujours plus complexes sur des simulations comportant des domaines de calcul toujours plus grands.

Dans ce cadre, la thèse visera d’élaborer puis évaluer différentes stratégies de portage de noyaux de calculs sur GPU et l’utilisation de méthodes de répartition dynamique de la charge adaptés aux supercalculateurs GPUs actuels et futurs.

Le candidat s’appuiera sur des outils développés au CEA comme les solveurs thermo-mécaniques MFEM-MGIS [1,2] ou MANTA [3]. Une étape importante consistera à réaliser de grands calculs de modélisation en 3D du comportement du combustible (modélisation multi-physique d’une pastille). Pour cela, l'étudiant sera amené à implémenter en C++ des solutions pour le GPU en parallélisation hybride MPI+CUDA en investiguant dans un premier temps des stratégies de résolution comme le "matrix-free" et dans un deuxième temps, les méthodes d'équilibrage de charge entre processus MPI. Les solutions apportées sur GPU seront alors évaluées sur les supercalculateurs nationaux comportant des milliers de cœurs de calcul et des GPU afin de s’assurer du passage à l’échelle.

Le candidat travaillera au sein du département d'études des combustibles (Institut IRESNE, CEA Cadarache). Il sera amené à évoluer dans une équipe pluridisciplinaire composée de mathématiciens, physiciens, mécaniciens et informaticiens. A terme, les contributions de la thèse visent à enrichir la plate-forme numérique PLEIADES. L'objectif est ainsi de mettre en place les outils informatiques qui permettront dans quelques années de modéliser en 3D le comportement des crayons combustibles sur des résolutions inaccessibles pour le moment.

Références :

[1] MFEM-MGIS web site - https://github.com/thelfer/mfem-mgis
[2] Th. Helfer, G. Latu. « MFEM-MGIS-MFRONT, a HPC mini-application targeting nonlinear thermo-mechanical simulations of nuclear fuels at mesoscale ». IAEA Technical Meeting on the Development and Application of Open-Source Modelling and Simulation Tools for Nuclear Reactors, June 2022, https://conferences.iaea.org/event/247/contributions/20551/attachments/10969/16119/Abstract_Latu.docx https://conferences.iaea.org/event/247/contributions/20551/attachments/10969/19938/Latu_G_ONCORE.pdf
[3] O. Jamond & al. «MANTA : un code HPC généraliste pour la simulation de problèmes complexes en mécanique », https://hal.science/hal-03688160