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In the context of classical molecular dynamics applied to condensed matter physics, CEA researchers are studying complex phenomena at the atomic scale. To do this, it is essential to continuously optimize the molecular dynamics codes of recent massively parallel supercomputers to enable physicists to exploit their capacity to numerically reproduce more and more complex physical phenomena. Nevertheless, simulation codes must be adapted to balance the load between the cores of supercomputers.To do this, in this thesis we propose to incorporate the Adaptive Mesh Refinement method into the ExaSTAMP molecular dynamics code. The main objective is to optimize the computation loop performing the calculation of particle interactions using multi-threaded and vectorizable data structures. The structure also reduces the memory footprint of the simulation. The design of the AMR is guided by the need for load balancing and adaptability raised by sets of particles moving dynamically over time.The results of this thesis show that using an AMR structure in ExaSTAMP improves its performance. In particular, the AMR makes it possible to execute 1.31 times faster than before the simulation of a violent shock causing a tin microjet of 1 billion 249 million atoms on 256 KNLs. In addition, simulations that were not conceivable so far can be carried out thanks to AMR, such as the impact of a tin nanodroplet on a solid surface with more than 500 million atoms.; Dans le contexte de la dynamique moléculaire classique appliquée à la physique de la matière condensée, les chercheurs du CEA étudient des phénomènes physiques à une échelle atomique. Pour cela, il est primordial d'optimiser continuellement les codes de dynamique moléculaire sur les dernières architectures de supercalculateurs massivement parallèles pour permettre aux physiciens d'exploiter la puissance de calcul pour reproduire numériquement des phénomènes physiques toujours plus complexes. Cependant, les codes de simulations doivent être adaptés afin d'équilibrer la répartition de la charge de calcul entre les cœurs d'un supercalculateur.Pour ce faire, dans cette thèse nous proposons d'incorporer la méthode de raffinement de maillage adaptatif dans le code de dynamique moléculaire ExaSTAMP. L'objectif est principalement d'optimiser la boucle de calcul effectuant le calcul des interactions entre particules grâce à des structures de données multi-threading et vectorisables. La structure permet également de réduire l'empreinte mémoire de la simulation. La conception de l’AMR est guidée par le besoin d'équilibrage de charge et d'adaptabilité soulevé par des ensembles de particules se déplaçant très rapidement au cours du temps.Les résultats de cette thèse montrent que l'utilisation d'une structure AMR dans ExaSTAMP permet d'améliorer les performances de celui-ci. L'AMR permet notamment de multiplier par 1.31 la vitesse d'exécution de la simulation d'un choc violent entraînant un micro-jet d'étain de 1 milliard 249 millions d'atomes sur 256 KNLs. De plus, l'AMR permet de réaliser des simulations qui jusqu'à présent n'étaient pas concevables comme l'impact d'une nano-goutte d'étain sur une surface solide avec plus 500 millions d'atomes.

In the context of classical molecular dynamics applied to condensed matter physics, CEA researchers are studying complex phenomena at the atomic scale. To do this, it is essential to continuously optimize the molecular dynamics codes of recent massively parallel supercomputers to enable physicists to exploit their capacity to numerically reproduce more and more complex physical phenomena. Nevertheless, simulation codes must be adapted to balance the load between the cores of supercomputers.To do this, in this thesis we propose to incorporate the Adaptive Mesh Refinement method into the ExaSTAMP molecular dynamics code. The main objective is to optimize the computation loop performing the calculation of particle interactions using multi-threaded and vectorizable data structures. The structure also reduces the memory footprint of the simulation. The design of the AMR is guided by the need for load balancing and adaptability raised by sets of particles moving dynamically over time.The results of this thesis show that using an AMR structure in ExaSTAMP improves its performance. In particular, the AMR makes it possible to execute 1.31 times faster than before the simulation of a violent shock causing a tin microjet of 1 billion 249 million atoms on 256 KNLs. In addition, simulations that were not conceivable so far can be carried out thanks to AMR, such as the impact of a tin nanodroplet on a solid surface with more than 500 million atoms., Dans le contexte de la dynamique moléculaire classique appliquée à la physique de la matière condensée, les chercheurs du CEA étudient des phénomènes physiques à une échelle atomique. Pour cela, il est primordial d'optimiser continuellement les codes de dynamique moléculaire sur les dernières architectures de supercalculateurs massivement parallèles pour permettre aux physiciens d'exploiter la puissance de calcul pour reproduire numériquement des phénomènes physiques toujours plus complexes. Cependant, les codes de simulations doivent être adaptés afin d'équilibrer la répartition de la charge de calcul entre les cœurs d'un supercalculateur.Pour ce faire, dans cette thèse nous proposons d'incorporer la méthode de raffinement de maillage adaptatif dans le code de dynamique moléculaire ExaSTAMP. L'objectif est principalement d'optimiser la boucle de calcul effectuant le calcul des interactions entre particules grâce à des structures de données multi-threading et vectorisables. La structure permet également de réduire l'empreinte mémoire de la simulation. La conception de l’AMR est guidée par le besoin d'équilibrage de charge et d'adaptabilité soulevé par des ensembles de particules se déplaçant très rapidement au cours du temps.Les résultats de cette thèse montrent que l'utilisation d'une structure AMR dans ExaSTAMP permet d'améliorer les performances de celui-ci. L'AMR permet notamment de multiplier par 1.31 la vitesse d'exécution de la simulation d'un choc violent entraînant un micro-jet d'étain de 1 milliard 249 millions d'atomes sur 256 KNLs. De plus, l'AMR permet de réaliser des simulations qui jusqu'à présent n'étaient pas concevables comme l'impact d'une nano-goutte d'étain sur une surface solide avec plus 500 millions d'atomes.

In this work, we present the conception and the performances of AMR and GMR-based sensors for navigation applications In order to obtain the best sensitivity and linearity at zero field, the design include barberpoles and a Wheatstone bridge for the first and takes advantage of the different anisotropies and coupling for the other. The sensor are fabricated by magnetron sputtering and photolithography and their performances in terms of sensitivity, linearity and noise are compared. The concept of gradiometers used for magneto-inertial navigation is based on the utilisation of magnetoresistances placed at each extremity of the sensor connected by a wheatstone bridge whose output is proportional to the gradient of the magnetic field. Flux concentrators designed to amplify the incoming field in order to improve the sensitivity are fabricated and tested on the sensors. A flux concentrator designed to amplify a magnetic gradient is proposed as an improvement of the gradiometers. Innovant solutions for low consumption anisotropy switching and offset compensation are being experimented using spin Hall effect and spin transfer torque with adjacent Pt and AuW layers. In that regard a spin torque measurement device: the spin-torque-bridge, is designed and used to study the spin hall effect and the spin transfer couplings in different multi layers.; Dans cette thèse, nous présentons la conception et les performances de capteurs magnétiques basés sur les technologies AMR et GMR en vue d'une utilisation dans la navigation. Afin d'obtenir une sensibilité et une linéarité optimales à champ nul, le design des capteurs utilise des barberpoles et un pont de wheatstone pour l'un et prend avantage des différentes anisotropies et couplages pour l'autre. Les capteurs sont fabriqués par pulvérisations cathodiques et photolithographies et leurs performances en terme de sensibilité, de linéarité et de bruit sont testées et comparées. La conception de gradiomètres nécessaires à la navigation magnéto-inertielle repose sur l'utilisation de magnétorésistances placées aux extrémités du capteur reliées par un pont de WheatStone dont la sortie est proportionnelle au gradient du champ magnétique. Des concentrateurs de Flux destinés à amplifier le champ afin d'améliorer la sensibilité sont conçus et testés sur les capteurs. Un concentrateur de flux destiné à amplifier un champ ayant la forme du gradient est proposé comme amélioration des gradiomètres. Des solutions innovantes pour le swithching d'anisotropie et la compensation d'offset utilisant l'effet Hall de spin et le couplage spin-transfer sont étudiées. Dans cette optique, un dispositif de mesure du couplage spin-transfer appelé spin-torque-bridge est conçu et utilisé pour étudier l'effet Hall de spin et le spin transfer dans différentes multi-couches.

In this work, we present the conception and the performances of AMR and GMR-based sensors for navigation applications In order to obtain the best sensitivity and linearity at zero field, the design include barberpoles and a Wheatstone bridge for the first and takes advantage of the different anisotropies and coupling for the other. The sensor are fabricated by magnetron sputtering and photolithography and their performances in terms of sensitivity, linearity and noise are compared. The concept of gradiometers used for magneto-inertial navigation is based on the utilisation of magnetoresistances placed at each extremity of the sensor connected by a wheatstone bridge whose output is proportional to the gradient of the magnetic field. Flux concentrators designed to amplify the incoming field in order to improve the sensitivity are fabricated and tested on the sensors. A flux concentrator designed to amplify a magnetic gradient is proposed as an improvement of the gradiometers. Innovant solutions for low consumption anisotropy switching and offset compensation are being experimented using spin Hall effect and spin transfer torque with adjacent Pt and AuW layers. In that regard a spin torque measurement device: the spin-torque-bridge, is designed and used to study the spin hall effect and the spin transfer couplings in different multi layers., Dans cette thèse, nous présentons la conception et les performances de capteurs magnétiques basés sur les technologies AMR et GMR en vue d'une utilisation dans la navigation. Afin d'obtenir une sensibilité et une linéarité optimales à champ nul, le design des capteurs utilise des barberpoles et un pont de wheatstone pour l'un et prend avantage des différentes anisotropies et couplages pour l'autre. Les capteurs sont fabriqués par pulvérisations cathodiques et photolithographies et leurs performances en terme de sensibilité, de linéarité et de bruit sont testées et comparées. La conception de gradiomètres nécessaires à la navigation magnéto-inertielle repose sur l'utilisation de magnétorésistances placées aux extrémités du capteur reliées par un pont de WheatStone dont la sortie est proportionnelle au gradient du champ magnétique. Des concentrateurs de Flux destinés à amplifier le champ afin d'améliorer la sensibilité sont conçus et testés sur les capteurs. Un concentrateur de flux destiné à amplifier un champ ayant la forme du gradient est proposé comme amélioration des gradiomètres. Des solutions innovantes pour le swithching d'anisotropie et la compensation d'offset utilisant l'effet Hall de spin et le couplage spin-transfer sont étudiées. Dans cette optique, un dispositif de mesure du couplage spin-transfer appelé spin-torque-bridge est conçu et utilisé pour étudier l'effet Hall de spin et le spin transfer dans différentes multi-couches.

In the frame of the inertial confinement fusion in direct drive, the use of CH(DT) foams as ablator allows the reduction of hydrodynamic instabilities created on the target by the direct laser irradiation. In the past, studies have been carried out considering this foam to be a homogeneous medium. Yet, the foam is composed of CH and DT, so it presents heterogeneous features. We study the effects of the heterogeneity on the shock velocity when the laser irradiates the target. Thanks to experimental and numerical studies, we show that the shock propagates faster in the heterogeneous medium than in the homogeneous one with the same averaged density. This velocity gap depends on the presence rate of the CH fibers in the foam, the density ratio, the adiabatic coefficient and the foam geometry. We modelize the foam by different ways, more and more complex. The shock velocity modification is due to the baroclinicity which, during the interaction between the shock front and the interface, creates a vorticity deposition, responsible for the shock accceleration. Accordingly, a interface, which is plane and perpendicular to the front shock, maximises the vorticity deposition and increases the velocity gaps between heterogeneous and homogeneous media. We found a correlation between the kinetic energy behind the shock front and the velocities relative difference. We compared our results with two analytical models. However, the system is not closed, so we can't, for the moment, develop a predictiv model., Dans le cadre de la fusion par confinement inertiel en attaque directe, l'utilisation de mousses en tant qu'ablateur permet de réduire les instabilités hydrodynamiques créées sur la cible par l'irradiation directe des faisceaux laser. Des études antérieures ont été réalisées en considérant cette mousse comme homogène. Or, étant composée de fibres de CH baignant dans du DT, elle présente un aspect hétérogène. Le but de cette thèse est d'étudier l'effet de cette hétérogénéité sur la vitesse du choc lors de l'irradiation laser de la cible. Une étude expérimentale sur tube à choc et des études numériques avec le code HERA nous ont permis de trouver que le choc se propage plus rapidement dans le milieu hétérogène que dans le milieu homogène de densité moyenne équivalente. Cette écart de vitesse dépend du taux de présence des fibres de CH, du rapport de densité entre les deux matériaux constituant la mousse, de leur coefficient adiabatique et de la géométrie de la mousse. Nous avons modélisé la mousse de diverses manières, en partant du plus simple au plus compliqué, afin de se rapprocher d'une configuration réaliste. La modification de la vitesse du choc étant dûe à la baroclinicité qui, lors de l'interaction du choc avec l'interface entre le CH et le DT, crée un dépôt de vorticité, responsable de l'accélération du choc. Par conséquent, une interface plane et perpendiculaire au front de choc maximise ce dépôt de vorticité et augmente les écarts de vitesse entre milieux hétérogènes et homogènes. Une corrélation entre l'énergie cinétique derrière le choc et la différence relative des vitesses de choc a été trouvée. Nous avons comparé nos résultats à deux modèles analytiques, mais le système n'étant pas fermé, nous ne pouvons pas, pour le moment, élaborer de modèle prédictif.

In this thesis we study the acceleration of cosmic-rays, high-energy particles pervading the Universe. Galactic cosmic-rays are believed to be produced by diffusive shock acceleration in supernovae remnants. The linear theory explains the formation of power-law spectra, but it has to be amended because of the back-reaction of cosmic-rays. We focus our attention on repeated acceleration by successive shocks, which hardens the spectra, and relies on the transport of cosmic-rays between the shocks.For this study we have developped a numerical tool which couples the hydrodynamical evolution of the plasma with the kinetic transport of the cosmic-rays. We have validated it against previous results. To resolve all the space- and time-scales induced by the energy-dependent diffusion of cosmic-rays we have implemented an adaptive mesh refinement technique. To save more computational power we have also parallelized our code, in the energy dimension. This enables us to present the first numerical simulations of non-linear acceleration by multiple shocks.We apply our tool to superbubbles, the big hot tenuous structures surrounding OB associations, as this is probably the place where most supernovae explode -- leading to substantial modifications of the standard model of the production of Galactic cosmic-rays. More precisely we have begun to investigate the effects of multiple shocks, through studying the role of pre-existing cosmic-rays upstream of a blast wave. Finally we review the radiation from superbubbles with a view to efficient cosmic-ray production.; Dans cette thèse nous étudions l'accélération des rayons cosmiques (RC), ces particules très énergétiques qui emplissent l'univers. Il est admis que les RC galactiques sont produits par accélération diffusive par onde de choc dans les restes de supernovae. La théorie linéaire explique la formation de spectres en loi de puissance, mais elle doit être modifiée du fait de la rétroaction des RC. Nous nous concentrons sur l'accélération répétée par chocs successifs, qui durcit les spectres, et qui dépend du transport des rayons cosmiques entre les chocs.Pour cette étude nous avons développé un outil numérique qui couple l'évolution hydrodynamique du plasma et le transport cinétique des RC. Nous l'avons validé grâce à des résultats déjà connus. Pour résoudre toutes les échelles induites par la dépendance en énergie du coefficient de diffusion des RC nous avons implémenté une technique de grille adaptative. Pour réduire le temps de calcul nous avons aussi parallélisé notre code, dans la dimension d'énergie. Cela nous permet de présenter les premières simulations de l'accélération non-linéaire par chocs multiples. Nous appliquons notre outil aux superbulles, les vastes structures chaudes et peu denses entourant les associations OB, car c'est probablement là que la plupart des supernovae explose en fait -- ce qui induit des modifications substantielles du modèle standard de production des RC galactiques. Plus précisément nous avons commencé à explorer les effets de chocs multiples, par une étude du rôle de RC pré-existants en amont d'une onde de choc. Pour finir nous passons en revue l'émission haute énergie des superbulles dans l'optique d'une production efficace de RC.

In this thesis we study the acceleration of cosmic-rays, high-energy particles pervading the Universe. Galactic cosmic-rays are believed to be produced by diffusive shock acceleration in supernovae remnants. The linear theory explains the formation of power-law spectra, but it has to be amended because of the back-reaction of cosmic-rays. We focus our attention on repeated acceleration by successive shocks, which hardens the spectra, and relies on the transport of cosmic-rays between the shocks.For this study we have developped a numerical tool which couples the hydrodynamical evolution of the plasma with the kinetic transport of the cosmic-rays. We have validated it against previous results. To resolve all the space- and time-scales induced by the energy-dependent diffusion of cosmic-rays we have implemented an adaptive mesh refinement technique. To save more computational power we have also parallelized our code, in the energy dimension. This enables us to present the first numerical simulations of non-linear acceleration by multiple shocks.We apply our tool to superbubbles, the big hot tenuous structures surrounding OB associations, as this is probably the place where most supernovae explode -- leading to substantial modifications of the standard model of the production of Galactic cosmic-rays. More precisely we have begun to investigate the effects of multiple shocks, through studying the role of pre-existing cosmic-rays upstream of a blast wave. Finally we review the radiation from superbubbles with a view to efficient cosmic-ray production.; Dans cette thèse nous étudions l'accélération des rayons cosmiques (RC), ces particules très énergétiques qui emplissent l'univers. Il est admis que les RC galactiques sont produits par accélération diffusive par onde de choc dans les restes de supernovae. La théorie linéaire explique la formation de spectres en loi de puissance, mais elle doit être modifiée du fait de la rétroaction des RC. Nous nous concentrons sur l'accélération répétée par chocs successifs, qui durcit les spectres, et qui dépend du transport des rayons cosmiques entre les chocs.Pour cette étude nous avons développé un outil numérique qui couple l'évolution hydrodynamique du plasma et le transport cinétique des RC. Nous l'avons validé grâce à des résultats déjà connus. Pour résoudre toutes les échelles induites par la dépendance en énergie du coefficient de diffusion des RC nous avons implémenté une technique de grille adaptative. Pour réduire le temps de calcul nous avons aussi parallélisé notre code, dans la dimension d'énergie. Cela nous permet de présenter les premières simulations de l'accélération non-linéaire par chocs multiples. Nous appliquons notre outil aux superbulles, les vastes structures chaudes et peu denses entourant les associations OB, car c'est probablement là que la plupart des supernovae explose en fait -- ce qui induit des modifications substantielles du modèle standard de production des RC galactiques. Plus précisément nous avons commencé à explorer les effets de chocs multiples, par une étude du rôle de RC pré-existants en amont d'une onde de choc. Pour finir nous passons en revue l'émission haute énergie des superbulles dans l'optique d'une production efficace de RC.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Afin d'améliorer les prédictions numériques des interactions entre ondes de choc et couches cisaillées, il est indispensable de s'orienter vers l'utilisation de maillage adaptatif afin de pouvoir prendre en compte les différents niveaux d'échelles et ce de façon dynamique. Cette étude présente la capacité d'un algorithme de multirésolution « complètement » adaptatif avec un codage de la solution volumes finis par valeurs moyennes, à reproduire les interactions fondamentales en mécanique des fluides. Les résultats portent sur des simulations numériques d'écoulements compressibles 2D : advection Euler d'un tourbillon, interaction visqueuse entre une onde de choc faible et un spot de température ou un tourbillon, tube à choc visqueux. Une étude de convergence en fonction du paramètre de raffinement adaptatif montre que la méthode est linéaire et conforme à la théorie. Les résultats sont analysés en terme d'efficacité vis-à-vis de la précision de la solution, du gain en place mémoire et en temps CPU. Ces résultats obtenus se comparent très favorablement à ceux répertoriés dans la littérature, pour tous les écoulements instationnaires traités.