Mathématiques et simulation numérique pour les PME Workshop HPC-PME, CEMRACS 2012

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1 Mathématiques et simulation numérique pour les PME Workshop HPC-PME, CEMRACS 2012 Georges-Henri Cottet * et Christophe Prud homme * AMIES (*) Université de Grenoble ( ), Université de Strasbourg ( ) prenom.nom@agence-maths-entreprises.fr LinkedIn: Club Mathématiques Entreprises

2 Without mathematics it is like walking in the dark - Werner von Siemens De nombreux rapports - internationaux (NSF), européens (OCDE, ESF) et nationaux (ANR) - positionnent les mathématiques comme un élément central de la future société de la connaissance En décrivant les objets et process du monde réel, les mathématiques fournissent une approche unique pour : modéliser et décrire des systèmes complexes analyser leur comportement, optimiser, visualiser et contrôler leur sortie établir des relations de manière quantitative Les mathématiques numériques ont obtenu durant ces dernières décennies des gains de performances similaires à ceux de la loi de Moore (facteur 2 tous les 18 mois).

3 Plusieurs initiatives à l étranger pour promouvoir les transferts entre mathématiques et le monde de l entreprise: Smith Institute/KTN (Angleterre), Fraunhofer et Matheon (Allemagne), MITACS (Canada) Collaboration Math-Entreprises en France? Constat : peu visibles et limitées aux grands groupes Difficultés de communication (Langage) Echelles de temps différentes Idées préconçues sur incompatibilité des problématiques industrielles et universitaires Collaborations math-entreprises mal évaluées dans la carrière universitaire... Opportunités récentes : initiatives nationales SMAI, CNRS, INRIA pour mettre en place des outils de prospective, d incitation. CNRS/INSMI: GDR Maths-Entreprises, PEPS Maths-industrie, AMIES SMAI: journées maths-industrie, implication dans ESF Forward look for Mathematics in industry INRIA: initiative HPC-PME

4 AMIES (agence pour les mathématiques en interaction avec l entreprise et la société): Une initiative du CNRS, labellisée comme Labex en 2010 jusqu à 2019), et un Laboratoire CNRS créé en 2011, tête d'un réseau irriguant toutes les disciplines mathématiques dans tous les labos de maths Objectif Promouvoir et Fluidifier les transferts math-entreprise, notamment vers les PME Partenaires 3 partenaires institutionnels: CNRS(porteur), INRIA et UdG. Des actions regroupées dans trois programmes: Formation, Stimulation de la recherche, Vitrine Budget 500 keuros/an (ANR) provenant des partenaires

5 AMIES s appuie sur un réseau de facilitateurs correspondants régionaux et thématiques de l'agence s appuient sur leur connaissance du terrain pour : mettre en relation entreprises, laboratoires, collectivités locales mettre en oeuvre localement les programmes d'amies faire remonter vers AMIES les initiatives/besoins locaux E Le Pennec (image) M Haddou (optimisation) A Philippe (stat) JM Couveignes (crypto) JM Loubes (stat) C Prud homme (calcul scientifique) H Pajot (géometrie)

6 Programme Stimulation de la Recherche, pour connecter entreprises et chercheurs/étudiants en maths Appel a projets, dans la continuité des Projets exploratoires math-industrie du CNRS, au fil de l eau : Peps-1: initialiser une collaboration entre un laboratoire et une entreprise. Le financement porte sur des dépenses de missions et/ou petit équipement. Aide maximale est de 10 keuros sur 18 mois. Peps-2: collaboration déjà «validée» -> apporter un soutien plus important en moyens humains (poste-doc, ingénieur). Un PEPS 2 pourra évidemment faire suite a un Peps-1. Possibilité de co-financement de thèse dans un PEPS-2. Pas de condition a priori mais l engagement de l entreprise doit être réel (et chiffré)

7 Un exemple de Projet Exploratoire Math-Entreprise Collaboration entre l'irma (P.Helluy, Strasbourg) et Axessim (PME) pour la simulation numérique d'un générateur de rayon X. Simuler les flux d'électrons entre la cathode et l'anode lors d'une radiographie médicale par un générateur de rayons X Coupler une méthode d'éléments finis/méthode Particle-In-Cell (PIC) Champ d'électrons arrachés à la surface de la cathode. Projet PEPS (1 stage + fonctionnement) et maintenant 1 thèse CIFRE

8 Participation à l initiative HPC-PME: GENCI, INRIA, OSEO Objectif : amener les PME à se poser la question de la simulation numérique et leur démontrer le gain de compétitivité obtenu avec le HPC AMIES est associée via l'inria (partenaire du labex) HPC est juste la partie émergée des besoins en simulation des PME Le partenariat avec INRIA comprend la prise en charge par AMIES d un programme plus général "simulation numérique" Ce que nous voyons dans ce programme : autour des logiciels (développement, validation, certification,..), promouvoir l expertise des équipes de calcul scientifique dans les labos de maths et des étudiants formés en CS, et de promouvoir des modèles d'interaction pme-laboratoires-centres de calcul la possibilité de connecter à des PME à partir de leurs besoins de simulations, avec l'idée que ça peut aussi permettre de remonter en amont (modélisation, traitement de données.. )

9 Programme Formation favoriser les contacts étudiants/entreprise (stages, CIFRE, doctorants-conseils..), répertorier et valoriser les formations de mathématiques dans l'entreprise Actions principales: Semaines d études mathématiques en entreprise (SEME) : Mise en situation de étudiants (doctorants) sur des cas concrets posés par des entreprises Initiées par le GDR maths-entreprises et coorganisées avec AMIES et labos de maths volontair Bilan gagnant (étudiants) / gagnant (entreprises) / gagnant (labos) IHP/Paris du lundi 4 au vendredi 8 avril 2011 UCB/Lyon du 28 novembre au 2 Décembre Toulouse (juin (sept. (Jan. (juin 2013) Organisation du Forum Emploi Mathématiques (Paris Janvier 2012, prochaine session au CNAM Janvier 2013) Création liste de diffusion d'une newsletter (environ 1000 inscrits)

10 Un exemple de SEME Lyon: 28/11/ /12/2012 PicViz: Représentation de données massives en grande dimension : trouver des structures dans des nuages de points en grande dim et mapper ces points par des surfaces/courbes Oberthur: Crypto-Analyse : classification de courbes de consommation et amélioration d'aes en boite blanche Rio-Tinto Alcan: Analyse de données multi-variées. Déterminer les paramètres prépondérants (causalités et consequences) lors de crises demandant un remplacement massif d'anode dans des cuves d'aluminium PEP(Centre technique de la plasturgie): modélisation et simulation de l'injection de polymère dans un moule

11 Programme Vitrine : donner une visibilité nationale a l'interface math-industrie répertorier les PME, laboratoires et formations de math susceptibles de tirer profit des actions d'amies communiquer sur les bonnes pratiques et «success stories» soutenir les manifestations/rencontres/forum sur le sujet agir comme interlocuteur des décideurs politiques et de la société (ministère,anr, Europe, sociétes savantes..) et de l Europe (FP7) -> lignes «maths-entreprises» dans les AAP 2012 MN et INS de l ÀNR Cartographie nationale des compétences et collaborations : Elaboration d'un catalogue d expertises dans les laboratoires, en direction des entreprises (automne 2012) Etat des lieux des master math par les sociétés savantes identification des master mathentreprises et affichage sur le site de l'amies

12 Participation / Soutien à Manifestations : AMIES soutient les manifestations contenant un volet mathématiques-entreprises (cf site web AMIES). Deux types de manifestations récurrentes auxquelles AMIES s associent: Rencontres SMAI-Industrie (ex: "Energies 10avril 2012) Exposés d entreprises sur un sujet donné, tables-rondes et discussions Rencontres INRIA-Industrie : Sciences Numériques et efficacité énergétique, mars Grenoble, finance@paris 3 avril) simulation en bio-medical (@Strasbourg Novembre), hpc/simulation (@Paris 2013), application web(debut 2013) Nombreuses PME, tables-rondes et demos des labos/équipes

13 Offre AMIES autour de la simulation et du logiciel libre Etat des lieux sur le calcul scientifique et le logiciel : Coût prohibitif des logiciels commerciaux pour une grande variété d'utilisation (PME, monde éducatif...) De nombreuses entreprises (grands groupes) font le choix du logiciel libre en France et a l'étranger (e.g. EADS, EDF, AUDI, Mercedes, BMW...) La complexité croissante des problèmes de simulation et du besoin d'ouverture, de transparence et de reproductibilité. Le logiciel libre en calcul scientifique est tres présent en mathématique (développement et utilisation)...mais difficile à disséminer : Hétérogénéité des outils Absence de couche experte et de documentation Intérêt de développer une offre autour de la simulation et du logiciel libre

14 Quelques Logiciels Libres: Pre/Post Processing OpenCascade/OCE (CAD) GMSH (et OneLab) (CAD+generation de maillage+postpro) Salomé (pre/post pro + environnement d'exécution) Paraview (visualisation) NetGen..et beaucoup d'autres Remerciements à C. Geuzaine (GMSH)

15 Quelques Logiciels Libres pour la simulation Freefem++ (langage pour MEF, généraliste, multiphysique) CodeAster (EDF, structure, thermomécanique) CodeSaturne (EDF, CFD) GetFem++ (généraliste) Feel++ (généraliste, multiphysique) Elmer (généraliste, multiphysique) Deal.II (généraliste) Fenics (généraliste) GetDP (généraliste, electro-magnétisme) OpenFoam (CFD)... et beaucoup d'autres Remerciements EDF/CEA/Euriware (Salome) Remerciements à V. Chabannes & M. Szopos (Feel++)

16 Quelques Logiciels Libres: Optimisation, Traitement des incertitudes Logiciels pour l'optimisation Octave (via plugin pour code externe) Scilab (via plugin pour code externe) Glpk NlOpt Logiciels pour le traitement des incertitudes OpenTURNS (EDF,EADS,Phimeca) Dakota (Sandia)

17 Cinq raisons pour lesquelles le logiciel libre va dominer dans le calcul scientifique 1) Evolution vers «Open Science» (Open Source+Open Data) dans différents domaines (e.g. medical, societal,...) Ouverture, transparence, reproductibilité mais aussi Innovation rapide, comparaison juste des technologies, source de formation pour les nouvelles générations d'ingénieurs 2) La recherche de l'authenticité: les entreprises peuvent tester les logiciels libres par leurs propres ingénieurs, développer leur propre expertise et éviter les blocages liés aux technologies propriétaires 3) Collaboration à haute valeur ajoutée et réactive autour du développement logiciel grâce a des processus / formations éprouvés et des outils de développement ouverts et partagés

18 4) Scalabilité en termes de méthodologies, technologies, données, ressources informatiques mais aussi en termes de processus de développement. 5) Business Model collaboratif et «amical» plutôt que des semi-monopoles avec des licences très chères dont le coût est souvent associé au nombre de CPU utilisés (1 licence par CPU)

19 Processus d'interaction Math-Entreprise autour de la Simulation Besoins antagonistes : Optimisation de processus industriels Contraintes budgétaires et réglementaires Nécessité de collaboration «intelligente» : Mathématique en boite noire de plus en plus difficile Nécessité d exploitation correcte des outils mathématiques

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21 Un Label pour l'expertise Logiciel Libre en Simulation Recherche: Identifier les laboratoires/équipes développant et utilisant activement des logiciels libres fournir du conseil en entreprises développer des collaborations pérennes repérer les docteurs et master en entreprise ou labos qui sont experts sur ces logiciels Formation: identifier les masters et laboratoires formant à l'utilisation de ces logiciels libres aussi bien en formation initiale qu'en continue

22 Autre aspect important qu AMIES souhaite promouvoir : le déploiement des solutions par des machines virtuelles s'appuyant sur Debian/Ubuntu (meilleures distributions en termes de calcul scientifique et plateforme de développement) Un double intérêt: coût de portage de logiciel de calcul scientifique réduit au minimum déploiement de ces images virtuelles pour du cloud computing (HPC)

23 Conclusion et Perspectives Mise en place d'une proposition d'offre autour de la simulation numérique se basant sur une tendance lourde d'utilisation aux logiciels libres en calcul scientifique et sur la mise en réseau des labos de maths Volets Recherche et Développement mais aussi Formation et Dissémination Feedback des laboratoires? Feedback des entreprises? Rapprochement avec les Alliances ou Pôles/Associations autour des Logiciels Libres? Connection avec l initiative HPC-PME Connection avec le GDR Calcul

24 References ANR (2009). Mathématiques et industrie. Reflexions engagees a l'anr, Coquel, F. (2010). Deux instruments a l'interface mathematiques-industrie : missions, objectifs et appels d'offre. Presentation INSMI, Maday, Y. (2009). Enquête sur les mathématiques au coeur de l'innovation industrielle. Technical report, ARP. Compte rendu de l'arp, Mathematics, F. L. O. and Industry (2011). Website of the forward look on mathematics and industry. Technical report, ESF. European success stories in industrial mathematics. Technical report, ESF. Report on mechanisms for promoting mathematics-in-industry. Technical report, OCDE.