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À la Croisée des Mondes : Le Voyage d'un Chercheur en Optimisation de Code HPC


Matthieu Carrère
Matthieu Carrère

Merci beaucoup d'avoir accepté l'interview.


Quel est votre parcours avant le doctorat ?

J'ai toujours nourri une passion pour la physique et l'informatique. Avant même d'entamer ma licence en physique fondamentale à l’université François Rabelais, j'étais déjà plongé dans ces deux domaines fascinants. Pendant ma licence, mon attrait pour le monde qui nous entoure et les forces qui s’exercent sur nous s'est enrichi, tout comme mon intérêt pour la programmation. Cette passion a été ravivée par un projet stimulant : l'automatisation des portes du poulailler de mes parents via une carte Arduino. Cette expérience a été déterminante, confirmant mon choix de poursuivre mes études dans ces deux domaines.

Ainsi, j'ai choisi de me spécialiser dans la simulation numérique des phénomènes physiques en suivant un master en physique numérique à l’université de Montpellier. Cette formation m'a ouvert les portes vers un domaine passionnant où l'informatique et la physique se rejoignent pour résoudre des problèmes complexes. Mon stage de fin d’études a été le catalyseur de ma décision de poursuivre mes études en doctorat. Il a clarifié mes aspirations professionnelles et m'a convaincu que la recherche était la voie qui me correspondait le mieux. Ces expériences ont renforcé ma conviction que mon avenir était dans la recherche interdisciplinaire, alliant mes compétences en physique et en informatique pour relever des défis scientifiques de grande envergure.

En résumé, mon parcours académique avant ma thèse a été marqué par une formation rigoureuse en physique et en informatique, ainsi que par des expériences pratiques qui ont nourri ma passion pour la recherche interdisciplinaire. Ces fondations solides m'ont préparé à relever les défis intellectuels et techniques de ma thèse et ont façonné ma vision en tant que chercheur en sciences computationnelles.

 

Dans quel cadre s’est inscrit votre thèse ?

Ma thèse CNRS s'est inscrite dans le cadre du projet international CTA (Cherenkov Telescope Array), une collaboration mondiale visant à construire une nouvelle génération de télescopes gamma basés au sol. Le projet CTA est dédié à l'étude des rayons gamma d'origine astrophysique, couvrant une gamme d'énergies allant de quelques GeV à plus de 300 TeV.

Mon travail de thèse a été mené en collaboration avec plusieurs institutions de recherche et laboratoires, notamment le laboratoire LUPM (Laboratoire Univers et Particules de Montpellier) et le laboratoire du LIRMM (Laboratoire d'informatique, de robotique et de microélectronique de Montpellier). Plus spécifiquement, j'ai été membre de l'équipe DALI (Digits, Architectures et Logiciels Informatiques) du LIRMM à Perpignan, où une partie de mes recherches a été effectuée.

Le cadre du projet CTA a offert une plateforme idéale pour mes recherches, car il nécessite des outils de simulation avancés pour modéliser les gerbes atmosphériques produites par les rayons gamma. Mon sujet de thèse sur l'optimisation de code HPC pour les expériences en rayon gamma dans le cadre du projet CTA était donc parfaitement aligné avec les objectifs scientifiques et techniques du projet.

En travaillant dans ce cadre international et interdisciplinaire, j'ai pu bénéficier de ressources et d'expertises variées, tout en contribuant à un projet de recherche de grande envergure qui vise à élargir notre compréhension de l'univers et des phénomènes astrophysiques les plus énergétiques.

 

Pouvez vous présenter de façon succincte votre sujet de thèse ?

Mon sujet de thèse, avec une dominante en informatique se concentre sur l'optimisation de code HPC (High Performance Computing) pour les expériences en rayon gamma, avec un axe particulier sur le profilage de code et l'étude du comportement d'un processus au cours de son exécution par le biais des compteurs de performances.

Au cœur de mes recherches, j'ai exploré les méthodes de profilage de code pour identifier les goulots d'étranglement et les inefficacités dans l'exécution des simulations de gerbes atmosphériques. En utilisant des outils de profilage avancés, tels que l'outil Perf de Linux, j'ai analysé en détail les performances du logiciel CORSIKA (COsmic Ray SImulations for Kascade) utilisé de façon massive par le projet CTA et identifié les zones critiques où des améliorations étaient nécessaires.

J'ai également développé un module en C++ de la simulation Cherenkov regroupant toutes les optimisations que j'avais proposées précédemment en C pour le nouveau framework CORSIKA 8 (une refonte complète de CORSIKA, rendant le système plus modulaire).

Une partie importante de ma thèse a également porté sur l'utilisation de compteurs de performances pour mesurer et analyser le comportement d'un processus en cours d'exécution sur processeur d’architecture x86/x64. J'ai développé des techniques innovantes dans le domaine de la physique des astroparticules pour collecter et interpréter les données des compteurs de performances. Cette approche a permis une caractérisation plus fine des charges de travail et une optimisation plus ciblée des performances du logiciel.

En fin de thèse, j'ai approfondi mes recherches sur les compteurs de performances associés à la détection de phases. Cette analyse plus poussée a permis après modification de l’outil Perf et recompilation du noyau Linux d'identifier certaines phases d’exécution de façon générique sans instrumentation de code source et grâce aux compteurs de performance.

En résumé, ma thèse représente une contribution significative à l'amélioration des performances des simulations en physique des particules, en combinant des techniques de profilage de code avancées avec une analyse fine du comportement dynamique des processus d'exécution. Ces travaux ouvrent la voie à une optimisation plus efficace des logiciels de simulation utilisés dans le domaine de l'astrophysique et de la physique des hautes énergies.

 

Quelles ont été vos contributions au projet CTA?

Ma thèse a joué un rôle crucial dans l'optimisation des simulations de gerbes atmosphériques pour le projet CTA, utilisant le logiciel CORSIKA, qui fonctionne sur des infrastructures de calcul à grande échelle.

En améliorant les performances du logiciel CORSIKA, j'ai permis une réduction significative du temps de calcul nécessaire, sur des systèmes utilisant jusqu'à 8000 cœurs de calcul CPU. Cette optimisation a entraîné une économie substantielle de ressources computationnelles, équivalant à plusieurs dizaines de millions d'heures de calcul CPU, en réduisant les coûts énergétiques associés à ces calculs sur la grille de calcul EGI (European Grid Infrastructure).

Les résultats de mon travail ont été d'une importance capitale pour le projet CTA, car ils ont non seulement amélioré l'efficacité opérationnelle des simulations, mais ont également permis l'intégration d'un module Cherenkov pour le futur framework en C++ 17 CORSIKA 8.

En ajoutant ce module à CORSIKA 8, nous avons pu offrir une méthode de simulation plus moderne et modulaire pour la génération de photons Cherenkov, répondant ainsi aux besoins spécifiques des expériences en rayons gamma du projet CTA. Cette amélioration a ouvert de nouvelles perspectives pour l'étude et la modélisation des phénomènes astrophysiques les plus énergétiques, renforçant ainsi la position du projet CTA en tant que leader dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies.

 

Comment avez-vous partagé vos résultats et contributions avec la communauté scientifique?

J'ai eu l'occasion de présenter mes travaux ainsi qu’un proceeding lors de la conférence internationale CHEP et de quo-écrire un article dans la revue scientifique Computing and Software for Big Science. De plus, j'ai participé à certains événements liés aux projets CTA et CORSIKA, ce qui m'a permis d'interagir avec la communauté scientifique et d'échanger des idées avec mes pairs. Un certain nombre de publications ont également été proposé sur le compte du projet CORSIKA 8, ayant été membre de cette formidable aventure.


Comment votre expérience de recherche a-t-elle influencé votre cheminement professionnel?

Mon expérience de recherche, en particulier au sein des projets CTA et CORSIKA, ont été une formidable opportunité d'acquérir une compréhension approfondie des projets de grande envergure. Travailler dans un tel environnement m'a permis de développer la capacité à faire des propositions pertinentes et innovantes, tout en maintenant un engagement ferme pour obtenir des résultats concrets. Cette expérience m'a également encouragé à cultiver ma curiosité et mon ouverture d'esprit envers d'autres domaines de compétences, me permettant ainsi d'aborder les défis professionnels avec un regard diversifié et une approche holistique. En combinant ces compétences avec mon bagage intellectuel issu de ma thèse, je me suis forgé une polyvalence professionnelle qui me permet d'aborder avec confiance les défis variés du monde industriel.

 

Et l’après thèse ?

Mon expérience post-thèse a été tout aussi enrichissante. En tant qu'ingénieur de recherche à l'observatoire dans le cadre du projet international SKA (Square Kilometre Array), j'ai été confronté à des défis techniques d'envergure mondiale. Contribuer à un tel projet m'a permis d'approfondir mes compétences en gestion de projet et en résolution de problèmes à grande échelle. Par la suite, je me suis lancé de nouveaux défis en intégrant le milieu industriel. Mon passage chez Continental, au sein de sa section radar embarqué, m’a permis de découvrir de nouvelles méthodes de travail et d'élargir mes horizons professionnels. Je me suis ensuite orienté vers un poste d'ingénieur de recherche au sein du département R&D de LR Technologies, offrant un terrain propice à l'innovation et à la créativité. Cette expérience me permet de mettre à profit mes connaissances techniques acquises lors de ma thèse tout en développant de nouvelles compétences dans le domaine de la recherche et développement. Ces expériences variées m'ont façonné en tant que professionnel polyvalent, capable de relever les défis les plus exigeants avec détermination et créativité.

 

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