Numerical modeling of seismic wave propagation on hierarchical and multicore architectures
Contribution à la modélisation numérique de la propagation des ondes sismiques sur architectures multicoeurs et hiérarchiques
Résumé
One major goal of strong motion seismology is the estimation of damage in future earthquake scenarios. Simulation of large scale seismic wave propagation is of great importance for efficient strong motion analysis and risk mitigation. Being particularly CPU-consuming, this three-dimensional problem makes use of high-performance computing technologies to make realistic simulation feasible on a regional scale at relatively high frequencies. Several evolutions at the chip level have an important impact on the performance of classical implementation of seismic applications. The trend in parallel computing is to increase the number of cores available at the shared-memory level with possible non-uniform cost of memory accesses. The increasing number of cores per processor and the effort made to overcome the limitation of classical symmetric multiprocessors (SMP) systems make available a growing number of NUMA (Non Uniform Memory Access) architecture as computing node. We therefore need to consider new approaches more suitable to such parallel systems. This PhD work addresses both the algorithmic issues and the integration of efficient programming models for multicore architectures. The proposed contributions are validated with two large scale examples. The first case is the modeling of the 2007 Niigata-Chuetsu, Japan earthquake based on the finite differences numerical method. The second example considers a potential seismic event in the Nice sedimentary basin in the French Riviera. The finite elements method is used and the nonlinear soil behavior is taken into account.
En termes de prévention du risque associé aux séismes, la prédiction quantitative des phénomènes de propagation et d'amplification des ondes sismiques dans des structures géologiques complexes devient essentielle. Dans ce domaine, la simulation numérique est prépondérante et l'exploitation efficace des techniques de calcul haute performance permet d'envisager les modélisations à grande échelle nécessaires dans le domaine du risque sismique. Plusieurs évolutions récentes au niveau de l'architecture des machines parallèles nécessitent l'adaptation des algorithmes classiques utilisées pour la modélisation sismique. En effet, l'augmentation de la puissance des processeurs se traduit maintenant principalement par un nombre croissant de coeurs de calcul et les puces multicoeurs sont maintenant à la base de la majorité des architectures multiprocesseurs. Ce changement correspond également à une plus grande complexité au niveau de l'organisation physique de la mémoire qui s'articule généralement autour d'une architecture NUMA (Non Uniform Memory Access pour accès mémoire non uniforme)~de profondeur importante. Les contributions de cette thèse se situent à la fois au niveau algorithmique et numérique mais abordent également l'articulation avec les supports d'exécution optimisés pour les architectures multicoeurs. Les solutions retenues sont validées à grande échelle en considérant deux exemples de modélisation sismique. Le premier cas se situe dans la préfecture de Niigata-Chuetsu au Japon (événement du 16 juillet 2007) et repose sur la méthode des différences finies. Le deuxième exemple met en oeuvre la méthode des éléments finis. Un séisme hypothétique dans la région de Nice est modélisé en tenant compte du comportement non linéaire du sol.