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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-19-0501

DOMAINE DE RECHERCHE
Astrophysique / Physique corpusculaire et cosmos
INTITULÉ DU SUJET Français English

Développement d’un code à maillage adaptatif pour le passage à l’exascale et applications astrophysiques

RÉSUMÉ DU SUJET

Le calcul numérique qui est devenu un outil scientifique incontournable est en passe de subir une importante transformation avec le passage à l’exascale, c’est à dire le développement de super-calculateurs cent fois plus puissants que ceux disponibles aujourd’hui, tout en conservant une enveloppe énergique du même ordre de grandeur qu’aujourd’hui. Pendant de nombreuses années, les évolutions matérielles des architectures de calcul ont été motivées pour optimiser les performances des applications en simulation numérique auxquelles s’ajoutent aujourd’hui les besoins des applications de l’intelligence articifielle. On constate que les dernières générations de processeurs graphiques (GPU) sont spécifiquement conçues pour accélérer les opérations tensorielles au cœur des algorithmes des réseaux de neurones convolutifs. Le passage à l’exascale engendre des modifications profondes de la structure des supercalculateurs, comme en témoigne la grande diversité des architectures existantes : processeurs multi-coeurs avec instructions vectorielles, processeurs multi-coeurs légers, GPU en allant jusqu’aux processeurs reconfigurables (FPGA) difficiles à programmer mais très efficaces énergétiquement. Cette mutation vers l’exascale nécessite une adaptation, voire une ré-écriture complète des codes de calcul existants et souligne également la problématique majeure de la portabilité des logiciels, c’est-à-dire l’élaboration de solutions permettant de tirer les meilleures performances sur la majorité des architectures existantes en limitant le travail de ré-écriture des codes en passant d'une architecture à une autre.

Les enjeux scientifiques associés pour la communauté astrophysique sont majeurs, en particulier en regard de la formation des planètes et des étoiles. A cet égard, le problème sera particulièrement complexe pour les codes à maillage adaptatif (AMR) dont l’emploi est nécessaire lorsque le problème étudié possède une grande gamme d’échelles spatiales et temporelles comme c’est le cas dans un grand nombre de domaines. Depuis plusieurs années, la maison de la simulation a anticipé ce défi en conduisant le développement d’un tel code en collaboration avec plusieurs communautés (mathématiques appliquées, dynamique des fluides numérique et astrophysique). Basé sur une bibliothèque moderne de gestion de maillage AMR en mémoire distribuée, p4est, le code CanoP permet d’ores et déjà de réaliser des simulations hydrodynamiques, voire magnéto-hydrodynamiques, en prenant en compte l’auto-gravité et les processus de chauffage et de refroidissement. Cependant, si CanoP résout donc déjà certains des processus importants, plusieurs développements restent encore à conduire afin de le rendre pleinement opérationnel. Ainsi le développement de pas de temps multiples, c’est-à-dire la possibilité de calculer de manière plus fréquente uniquement l’avancement des cellules de plus petite taille, réduisant ainsi le temps de calcul, est un aspect essentiel des codes AMR. Un autre aspect fondamental pour les applications astrophysiques est le développement de particules Lagrangiennes interagissant avec les champs décrits par le maillage (densité, vitesse, gravité…). Une fois que ces deux aspects seront mis en place, un très grand nombre d’applications d’astrophysique pourront être traitées permettant un vaste usage de ce code.

L’objectif de la thèse sera le développement de ces deux aspects (pas de temps adaptatifs et particules Lagrangiennes) qui seront réalisés pour, et motivés par, l’étude de deux problèmes astrophysiques importants : d’une part l’étude des disques protoplanétaires auto-gravitants et d’autre part la formation des amas d’étoiles par fragmentation de nuages de gaz moléculaire massifs. Ces deux problèmes sont en effet présentement limités par la puissance de calcul disponible.

Les disques protoplanétaires jouent un rôle crucial car c’est en leurs seins que se forment les planètes. Or la question du transport du moment cinétique est toujours mal comprise. Une possibilité est que ce transport soit assuré par la gravité elle-même. Or la plupart des études se sont focalisées sur des disques auto-régulés, c’est à dire chauffés par la dissipation de l’énergie cinétique résultant du transport du moment cinétique. Néanmoins l’étoile centrale assure un chauffage important possiblement dominant dans beaucoup de circonstances sur le chauffage visqueux de sorte que les disques ne sont pas nécessairement auto-régulés. C’est ce régime qui sera étudié.

La formation des amas d’étoiles est régie par l’action conjointe de la turbulence supersonique et de la gravité. C’est un problème qui revêt une grande importance car c’est notamment à ce stade qu’est déterminée la fonction initiale de masse des étoiles qui joue un rôle fondamental dans notre univers.

La réalisation de très grosses simulations, rendues possibles par le développement d’un code AMR moderne, conduira à des avancées substantielles pour la formation des planètes et des étoiles. De surcroît les développements réalisés et l’expérience acquise, seront également utiles aux autres champs de recherche qui utiliseront CanoP. L’étudiant partagera son temps de manière équilibrée entre les développements numériques fondamentaux et les deux applications astrophysiques.

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

M2 d'astrophysique ou de modélisation

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers
Direction d'Astrophysique
Laboratoire de modélisation des plasmas astrophysiques
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/09/2019
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Patrick Hennebelle  

CEA
DSM/IRFU/SAp
Orme les merisiers

Téléphone : +33 1 69 08 99 87

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris Sud
Astronomie et Astrophysique d'Île de France
DIRECTEUR DE THÈSE

Patrick Hennebelle

CEA
DSM/IRFU/SAp
Orme les merisiers