Prédiction de structure et algorithmique parallèle pour la factorisation LU des matrices creuses
Résumé
This dissertation treats of parallel numerical computing considering the Gaussian elimination, as it is used to solve large sparse nonsymmetric linear systems. Usually, computations on sparse matrices have an initial phase that predicts the nonzero structure of the output, which helps with memory allocations, set up data structures and schedule parallel tasks prior to the numerical computation itself. To this end, we study the structure prediction for the sparse LU factorization with partial pivoting. We are mainly interested to identify upper bounds as tight as possible to these structures. This structure prediction is then used in a phase called symbolic factorization, followed by a phase that performs the numerical computation of the factors, called numerical factorization. For very large matrices, a significant part of the overall memory space is needed by structures used during the symbolic factorization, and this can prevent a swap-free execution of the LU factorization. We propose and study a parallel algorithm to decrease the memory requirements of the nonsymmetric symbolic factorization. For an efficient parallel execution of the numerical factorization, we consider the analysis and the handling of the data dependencies graphs resulting from the processing of sparse matrices. This analysis enables us to develop scalable algorithms, which manage memory and computing resources in an effective way.
Cette thèse traite du calcul numérique parallèle et les résultats de recherche portent sur la factorisation LU, telle qu'elle est utilisée pour résoudre des systèmes linéaires creux non-symétriques. En général, les calculs sur des matrices creuses ont une phase initiale de prédiction structurelle de la sortie, qui permet l'allocation de la mémoire, l'initialisation des structures de données et l'ordonnancement des tâches en parallèle. Dans ce but, nous étudions la prédiction structurelle pour la factorisation LU avec pivotage partiel. Nous nous intéressons principalement à identifier des limites supérieures aussi proches que possible de ces structures. Cette prédiction de structure est ensuite utilisée dans une étape appelée étape de factorisation symbolique qui précède l'étape de calcul numérique effectif des facteurs appelée étape de factorisation numérique. Pour des matrices de très grande taille, une partie significative de l'espace mémoire globale est nécessaire pour des structures utilisées lors de l'étape de factorisation symbolique, et ceci pourrait empêcher l'exécution de la factorisation LU. Nous proposons et étudions un algorithme parallèle pour améliorer les besoins en mémoire de la factorisation symbolique. Pour une exécution parallèle efficace de la factorisation numérique, nous considérons l'analyse et la manipulation des graphes de dépendances de données issus du traitement des matrices creuses. Cette analyse nous permet de développer des algorithmes scalables, qui utilisent d'une manière efficace la mémoire et les ressources de calcul disponibles.