DOCTEUR DE L`UNIVERSITÉ DE BORDEAUX

Thèse présentée
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE
L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX
École doctorale de Mathématiques et Informatique de Bordeaux
Spécialité : Informatique
Par Antoine CAPRA
Virtualisation en contexte HPC
Soutenue le 17 décembre 2015
Membres du jury :
M. J.-M. Pierson Professeur, Université de Toulouse Rapporteur
M. G. Thomas Professeur, Telecom Sud-Paris Rapporteur
M. C. Consel Professeur, Université de Bordeaux Président du jury
M. F. Diakhaté Ingénieur-chercheur au CEA, Docteur Encadrant CEA
M. R. Namyst Professeur, Université de Bordeaux Directeur de thèse
M. M. Pérache Ingénieur-chercheur au CEA, HDR Encadrant CEA
MME. P. Rossé-Laurent Ingénieur-chercheur ATOS, Docteur Examinateur

Résumé
Afin de répondre aux besoins croissants de la simulation numérique et de
rester à la pointe de la technologie, les supercalculateurs doivent d’être
constamment améliorés. Ces améliorations peuvent être d’ordre matériel ou
logiciel. Cela force les applications à s’adapter à un nouvel environnement
de programmation au fil de son développement. Il devient alors nécessaire
de se poser la question de la pérennité des applications et de leur portabilité
d’une machine à une autre. L’utilisation de machines virtuelles peut être une
première réponse à ce besoin de pérennisation en stabilisant les environne-
ments de programmation. Grâce à la virtualisation, une application peut
être développée au sein d’un environnement figé, sans être directement im-
pactée par l’environnement présent sur une machine physique. Pour autant,
l’abstraction supplémentaire induite par les machines virtuelles entraine en
pratique une perte de performance. Nous proposons dans cette thèse un en-
semble d’outils et de techniques afin de permettre l’utilisation de machines
virtuelles en contexte HPC. Tout d’abord nous montrons qu’il est possible
d’optimiser le fonctionnement d’un hyperviseur afin de répondre le plus fidè-
lement aux contraintes du HPC que sont : le placement des fils d’exécution
et la localité mémoire des données. Puis en s’appuyant sur ce résultat, nous
avons proposé un service de partitionnement des ressources d’un nœud de
calcul par le biais des machines virtuelles. Enfin, pour étendre nos travaux
à une utilisation pour des applications MPI, nous avons étudié les solutions
et performances réseau d’une machine virtuelle.
Mots clés : Calcul haute performance, Virtualisation, MPI, OpenMP
Cette thèse a été préparée au CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon, France.

Abstract
To meet the growing needs of the digital simulation and remain at the fo-
refront of technology, supercomputers must be constantly improved. These
improvements can be hardware or software order. This forces the application
to adapt to a new programming environment throughout its development.
It then becomes necessary to raise the question of the sustainability of ap-
plications and portability from one machine to another. The use of virtual
machines may be a first response to this need for sustaining stabilizing pro-
gramming environments. With virtualization, applications can be developed
in a fixed environment, without being directly impacted by the current envi-
ronment on a physical machine. However, the additional abstraction induced
by virtual machines in practice leads to a loss of performance. We propose in
this thesis a set of tools and techniques to enable the use of virtual machines
in HPC context. First we show that it is possible to optimize the operation
of a hypervisor to respond accurately to the constraints of HPC that are :
the placement of implementing son and memory data locality. Then, based
on this, we have proposed a resource partitioning service from a compute
node through virtual machines. Finally, to expand our work to use for MPI
applications, we studied the network solutions and performance of a virtual
machine.
Key words : High Performance Computing, Virtualisation, MPI, OpenMP

Remerciements
Je remercie tout d’abord mon directeur de thèse Raymond Namyst ainsi que mes
encadrants CEA : François Diakhaté et Marc Pérache pour m’avoir guidé pendant ces
trois années. Ce manuscrit n’aurait pas vu le jour sans votre confiance et vos conseils
avisés. Je serai ravi de pouvoir de nouveau travailler avec vous.
J’adresse mes remerciements à mes rapporteurs Jean-Marc Pierson et Gaël Thomas
pour la lecture de mon manuscrit et leurs judicieuses remarques afin de l’améliorer.
Merci à Charles Consel et Pascale Rossé-Laurent d’avoir accepté de participer à mon
jury en qualité de président de jury et examinateur.
Merci à «ma binôme» Emmanuelle , j’ai pris un grand plaisir à travailler avec toi que
ce soit dans nos projets communs en master ou dans nos discussions pendant ces trois
ans de thèse. Merci à Jérôme Clet-Ortega pour nos courses à pieds le week-end ainsi
que nos petits délires musicaux que seuls quelques initiés peuvent comprendre m’ont
permis de souffler et d’apprécier au mieux ces trois intenses années. Merci à Adrien pour
m’avoir fait découvrir la Corse et Nancy, je tacherai à l’avenir d’être plus organisé ! Merci
à Gautier pour ses histoires aussi improbables que drôles qui ont pimentées nos pauses
cafés pendant ma dernière année.
Je remercie également le personnel CEA ainsi que les doctorants, CEA ou non, que
j’ai pu croiser tout au long de ces années, vous avez su m’apporter un regard neuf sur le
domaine de la simulation numérique et du calcul haute performance. Je ne me risquerai
pas à lister vos noms par peur de froisser l’un d’entre vous par un oubli. Les souvenirs
que nous partageons sont autant de bons moments dont je prends plaisir à me rappeler
et à raconter. Je souhaite aux doctorants qui vont me succéder bon courage et plein de
réussite pour les prochaines années.
Merci à Sameer Shende et Allen Malony ainsi que Jean-Baptiste Besnard qui m’ont
accordées leur confiance en me permettant de continuer à évoluer dans la sphère du
HPC. Merci à mon co-bureau Julien Adam pour ses encouragements, sa bonne humeur
quotidienne et sa maitrise de Git !
Merci à ma famille qui a toujours su me soutenir dans les périodes de joie comme celles
de déprime. Je remercie tout particulièrement mes parents pour toutes ces dernières
années, vous avez su m’apporter ce dont j’avais besoin pour m’épanouir au quotidien.
Enfin, je remercie ma chère et tendre Émilie dont la présence, la patience et les
sentiments font de moi chaque jour un homme heureux. Tu as su m’apporter tout le
soutien nécessaire pour mener à besoin la rédaction de ce manuscrit et mes travaux de
recherche.