Modélisation de l'électrophysiologie cardiaque à l'échelle des cellules – MICROCARD

Nous développons un logiciel de simulation écrit en C et C++, utilisant une méthode d'éléments finis du second ordre basé sur les corrections spectrales différées. Les solveurs numériques sont PETSc et Ginkgo, ce dernier étant étendu selon nos besoins avec un solveur de type BiCGStab et un pré-conditionneur BDDC, que nous avons identifiés comme répondant le plus efficacement à nos systèmes d'équations à résoudre.

Afin d'accélérer l'exécution du code qui simule le comportement électrique complexe de la membrane cellulaire, nous utilisons un langage spécifique (un DSL) pour décrire les équations, et un compilateur développé dans le projet, basé sur la technologie MLIR du compilateur libre LLVM. Le DSL est traduit par notre compilateur en un code optimisé pour diverses architectures, allant des processeurs vectoriels (SIMD) jusqu'au GPUs de différents constructeurs.

Nous avons développé un schéma numérique et des algorithmes de résolution qui conviennent à notre problème et qui s'adaptent sur des super-calculateurs très puissants. L'implémentation de ces méthodes est en cours. Nous avons également mis au point des méthodes d'interprétation automatique des données d'imagerie par microscopie confocale afin de construire les modèles tissulaires, ainsi que des méthodes de développement de tissus artificiels réalistes, afin de surmonter la limitation actuelle de taille des images générées.

Dans ce travail, nous nous sommes basés sur des logiciels libres et open-source existants, que nous avons améliorés pour répondre à nos besoins. Plusieurs de ces évolutions logicielles bénéficient également à toute la communauté de leurs utilisateurs actuels. Ainsi par exemple, le logiciel Mmgtools, qui permet de créer et d'améliorer des descriptions d'objets géométriques 3D sous forme de tétraèdres, a été étendu pour pouvoir traiter un nombre de tétraèdres beaucoup plus grand, et selon des géométries beaucoup plus complexes que précédemment. D'autre part, la bibliothèque Ginkgo, spécialisée en calcul numérique sur GPU, a été étendue avec de nouveaux algorithmes répondant à nos besoins. Finalement, le logiciel de simulation cardiaque openCARP, qui est utilisé comme base de notre développement de modèles cardiaques, a profité de nombreux perfectionnements bénéficiant à tous ses utilisateurs, comme l'amélioration de la performance, le portage sur GPU, et la tolérance aux pannes, avec la possibilité de reprendre un calcul sans le recommencer depuis le début, suite à un plantage - une fonctionnalité essentielle lorsque le logiciel doit tourner sur un supercalculateur composé de plusieurs milliers de noeuds, avec de grandes chances que l'un d'entre eux tombe en panne (logicielle ou matérielle).

Bien que notre logiciel de simulation complet ne soit pas encore en capacité d'être mis en production sur un supercalculateur, le projet a déjà eu des impacts significatifs sur la communauté de la recherche en simulation cardiaque, en améliorant et en accélérant le logiciel openCARP, et en fournissant de nouvelles fonctionnalités aux logiciels Mmgtools et Ginkgo.

Nous avons réussi à générer des modèles de tissu cardiaque d'un millimètre carré (8000 cellules, 350 millions d'éléments de maillage), et nous sommes en train d'en construire de beaucoup plus grands encore.

Les logiciels que nous avons développé et auxquels nous avons contribué sont disponibles publiquement (distribution open source).

Le projet a jusqu'à présent donné lieu à 14 papiers publiés dans des revues scientifiques internationales avec comité de lecture, 16 papiers dans des actes de conférences, 6 résumés courts, et 35 présentations invitées.