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Private GIT Repository
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[GMRES2stage.git] / paper.tex
1
2 %% bare_conf.tex
3 %% V1.3
4 %% 2007/01/11
5 %% by Michael Shell
6 %% See:
7 %% http://www.michaelshell.org/
8 %% for current contact information.
9 %%
10 %% This is a skeleton file demonstrating the use of IEEEtran.cls
11 %% (requires IEEEtran.cls version 1.7 or later) with an IEEE conference paper.
12 %%
13 %% Support sites:
14 %% http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/
15 %% http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/IEEEtran/
16 %% and
17 %% http://www.ieee.org/
18
19 %%*************************************************************************
20 %% Legal Notice:
21 %% This code is offered as-is without any warranty either expressed or
22 %% implied; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
23 %% FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE! 
24 %% User assumes all risk.
25 %% In no event shall IEEE or any contributor to this code be liable for
26 %% any damages or losses, including, but not limited to, incidental,
27 %% consequential, or any other damages, resulting from the use or misuse
28 %% of any information contained here.
29 %%
30 %% All comments are the opinions of their respective authors and are not
31 %% necessarily endorsed by the IEEE.
32 %%
33 %% This work is distributed under the LaTeX Project Public License (LPPL)
34 %% ( http://www.latex-project.org/ ) version 1.3, and may be freely used,
35 %% distributed and modified. A copy of the LPPL, version 1.3, is included
36 %% in the base LaTeX documentation of all distributions of LaTeX released
37 %% 2003/12/01 or later.
38 %% Retain all contribution notices and credits.
39 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
40 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
41 %%
42 %% File list of work: IEEEtran.cls, IEEEtran_HOWTO.pdf, bare_adv.tex,
43 %%                    bare_conf.tex, bare_jrnl.tex, bare_jrnl_compsoc.tex
44 %%*************************************************************************
45
46 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
47 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
48 % *** with production work. IEEE's font choices can trigger bugs that do  ***
49 % *** not appear when using other class files.                            ***
50 % The testflow support page is at:
51 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
52
53
54
55 % Note that the a4paper option is mainly intended so that authors in
56 % countries using A4 can easily print to A4 and see how their papers will
57 % look in print - the typesetting of the document will not typically be
58 % affected with changes in paper size (but the bottom and side margins will).
59 % Use the testflow package mentioned above to verify correct handling of
60 % both paper sizes by the user's LaTeX system.
61 %
62 % Also note that the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", option
63 % should be used if it is desired that the figures are to be displayed in
64 % draft mode.
65 %
66 \documentclass[10pt, conference, compsocconf]{IEEEtran}
67 % Add the compsocconf option for Computer Society conferences.
68 %
69 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
70 % manually specify the path to it like:
71 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
72
73
74
75
76
77 % Some very useful LaTeX packages include:
78 % (uncomment the ones you want to load)
79
80
81 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
82 %
83 %\usepackage{ifpdf}
84 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
85 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
86 % usage:
87 % \ifpdf
88 %   % pdf code
89 % \else
90 %   % dvi code
91 % \fi
92 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
93 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
94 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
95 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
96 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
97 % have to be run twice to clear warning/error messages.
98
99
100
101
102
103
104 % *** CITATION PACKAGES ***
105 %
106 %\usepackage{cite}
107 % cite.sty was written by Donald Arseneau
108 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
109 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
110 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
111 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
112 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
113 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
114 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
115 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
116 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
117 % not currently provide for hyperlinked citations.
118 % The latest version can be obtained at:
119 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
120 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
121
122
123
124
125
126
127 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
128 %
129 \ifCLASSINFOpdf
130   % \usepackage[pdftex]{graphicx}
131   % declare the path(s) where your graphic files are
132   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
133   % and their extensions so you won't have to specify these with
134   % every instance of \includegraphics
135   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
136 \else
137   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
138   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
139   % driver is specified.
140   % \usepackage[dvips]{graphicx}
141   % declare the path(s) where your graphic files are
142   % \graphicspath{{../eps/}}
143   % and their extensions so you won't have to specify these with
144   % every instance of \includegraphics
145   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
146 \fi
147 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
148 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
149 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
150 % be obtained at: 
151 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
152 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
153 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
154 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
155 %
156 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
157 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
158 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
159 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
160 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
161 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
162 % well as large increases in file sizes.
163 %
164 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
165 % http://www.tug.org/applications/pdftex
166
167
168
169
170
171 % *** MATH PACKAGES ***
172 %
173 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
174 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
175 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
176 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
177 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
178 % it is possible that some math symbols, particularly those within
179 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
180 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
181 %
182 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
183 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
184 %\interdisplaylinepenalty=2500
185 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
186 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
187 % version and documentation can be obtained at:
188 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
189
190
191
192
193
194 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
195 %
196 %\usepackage{algorithmic}
197 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
198 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
199 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
200 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
201 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
202 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
203 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
204 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
205 % algorithmic.sty can be obtained at:
206 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
207 % There is also a support site at:
208 % http://algorithms.berlios.de/index.html
209 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
210 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
211 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
212
213
214
215
216 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
217 %
218 %\usepackage{array}
219 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
220 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
221 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
222 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
223 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
224 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
225 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
226 % latest version and documentation can be obtained at:
227 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
228
229
230 %\usepackage{mdwmath}
231 %\usepackage{mdwtab}
232 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
233 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
234 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
235 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
236 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
237
238
239 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
240 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
241 % quality.
242
243
244 %\usepackage{eqparbox}
245 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
246 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
247 % Available at:
248 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
249
250
251
252
253
254 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
255 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
256 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
257 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
258 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
259 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
260 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
261 % be obtained at:
262 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
263 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
264
265
266
267 %\usepackage[caption=false]{caption}
268 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
269 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
270 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
271 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
272 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
273 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
274 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
275 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
276 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
277 % the caption=false option directly:
278 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
279 %
280 % The latest version and documentation can be obtained at:
281 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
282 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
283 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
284
285
286
287
288 % *** FLOAT PACKAGES ***
289 %
290 %\usepackage{fixltx2e}
291 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
292 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
293 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
294 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
295 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
296 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
297 % figure. The latest version and documentation can be found at:
298 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
299
300
301
302 %\usepackage{stfloats}
303 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
304 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
305 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
306 % LaTeX2e). It also provides a command:
307 %\fnbelowfloat
308 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
309 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
310 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
311 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
312 % version and documentation can be obtained at:
313 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
314 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
315 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
316 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
317 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
318 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
319 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
320 % not format its papers in such ways.
321
322
323
324
325
326 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
327 %
328 %\usepackage{url}
329 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
330 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
331 % systems. The latest version can be obtained at:
332 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
333 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
334 % \url{my_url_here}.
335
336
337
338
339
340 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
341 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
342 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
343 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
344 % to submit to, of course. )
345
346
347 % correct bad hyphenation here
348 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
349
350
351
352 \usepackage{algorithm}
353 \usepackage{algpseudocode}
354 \usepackage{amsmath}
355 \usepackage{amssymb}
356 \usepackage{multirow}
357
358 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
359 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
360
361 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
362 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
363
364
365
366 \begin{document}
367 %
368 % paper title
369 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
370 \title{TSARM: A Two-Stage Algorithm with least-square Residual Minimization to solve large sparse linear systems}
371 %où
372 %\title{A two-stage algorithm with error minimization to solve large sparse linear systems}
373 %où
374 %\title{???}
375
376
377
378
379
380 % author names and affiliations
381 % use a multiple column layout for up to two different
382 % affiliations
383
384 \author{\IEEEauthorblockN{Rapha\"el Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Lilia Ziane Khodja \IEEEauthorrefmark{2} and Christophe Guyeux\IEEEauthorrefmark{1}}
385 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1} Femto-ST Institute, University of Franche Comte, France\\
386 Email: \{raphael.couturier,christophe.guyeux\}@univ-fcomte.fr}
387 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2} INRIA Bordeaux Sud-Ouest, France\\
388 Email: lilia.ziane@inria.fr}
389 }
390
391
392
393 % conference papers do not typically use \thanks and this command
394 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
395 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
396 % after \documentclass
397
398 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
399 % of the page, use this alternative format:
400
401 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
402 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
403 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
404 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
405 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
406 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
407 %Georgia Institute of Technology,
408 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
409 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
410 %Email: homer@thesimpsons.com}
411 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
412 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
413 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
414
415
416
417
418 % use for special paper notices
419 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
420
421
422
423
424 % make the title area
425 \maketitle
426
427
428 \begin{abstract}
429 In  this paper  we propose  a  two stage  iterative method  which increases  the
430 convergence of Krylov iterative methods,  typically those of GMRES variants. The
431 principle of  our approach  is to  build an external  iteration over  the Krylov
432 method  and to  save  the current  residual  frequently (for  example, for  each
433 restart of GMRES). Then after a given number of outer iterations, a minimization
434 step  is applied  on the  matrix composed  of the  saved residuals  in  order to
435 compute a better solution and make  a new iteration if necessary.  We prove that
436 our method has  the same convergence property than the  inner method used.  Some
437 experiments using up  to 16,394 cores show that compared  to GMRES our algorithm
438 can be around 7 times faster.
439 \end{abstract}
440
441 \begin{IEEEkeywords}
442 Iterative Krylov methods; sparse linear systems; residual minimization; PETSc; %à voir... 
443 \end{IEEEkeywords}
444
445
446 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
447 % page as needed:
448 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
449 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
450 % \fi
451 %
452 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
453 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
454 \IEEEpeerreviewmaketitle
455
456
457
458
459 % An example of a floating figure using the graphicx package.
460 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
461 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
462 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
463 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
464 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
465 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
466 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
467 %
468 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
469 % option should be used if it is desired that the figures are to be
470 % displayed while in draft mode.
471 %
472 %\begin{figure}[!t]
473 %\centering
474 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
475 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
476 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
477 % via \DeclareGraphicsExtensions.
478 %\caption{Simulation Results}
479 %\label{fig_sim}
480 %\end{figure}
481
482 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
483 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
484
485
486 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
487 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
488 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
489 % \label for the overall figure must come after \caption.
490 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
491 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
492 % used instead of \subfloat.
493 %
494 %\begin{figure*}[!t]
495 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
496 %\label{fig_first_case}}
497 %\hfil
498 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
499 %\label{fig_second_case}}}
500 %\caption{Simulation results}
501 %\label{fig_sim}
502 %\end{figure*}
503 %
504 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
505 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
506 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
507
508
509 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
510 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
511 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
512 % The \label must come after \caption as always.
513 %
514 %\begin{table}[!t]
515 %% increase table row spacing, adjust to taste
516 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
517 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
518 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
519 %\caption{An Example of a Table}
520 %\label{table_example}
521 %\centering
522 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
523 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
524 %\begin{tabular}{|c||c|}
525 %\hline
526 %One & Two\\
527 %\hline
528 %Three & Four\\
529 %\hline
530 %\end{tabular}
531 %\end{table}
532
533
534 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
535 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
536 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
537 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
538 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
539 % command of the stfloats package.
540
541
542
543 %%%*********************************************************
544 %%%*********************************************************
545 \section{Introduction}
546 % no \IEEEPARstart
547 % You must have at least 2 lines in the paragraph with the drop letter
548 % (should never be an issue)
549
550 Iterative methods  became more attractive than  direct ones to  solve very large
551 sparse  linear systems.  Iterative  methods  are more  effecient  in a  parallel
552 context,  with  thousands  of  cores,  and  require  less  memory  and  arithmetic
553 operations than direct  methods. A number of iterative  methods are proposed and
554 adapted by many researchers and the increased need for solving very large sparse
555 linear  systems  triggered the  development  of  efficient iterative  techniques
556 suitable for the parallel processing.
557
558 Most of the successful iterative methods currently available are based on Krylov
559 subspaces which  consist in forming a  basis of a sequence  of successive matrix
560 powers times an initial vector for example the residual. These methods are based
561 on  orthogonality  of vectors  of  the Krylov  subspace  basis  to solve  linear
562 systems.  The  most well-known iterative  Krylov subspace methods  are Conjugate
563 Gradient method and GMRES method (generalized minimal residual).
564
565 However,  iterative  methods suffer  from scalability  problems  on parallel
566 computing  platforms  with many  processors  due  to  their need  for  reduction
567 operations    and   collective    communications   to    perform   matrix-vector
568 multiplications. The  communications on large  clusters with thousands  of cores
569 and  large  sizes of  messages  can  significantly  affect the  performances  of
570 iterative methods. In practice, Krylov subspace iteration methods are often used
571 with preconditioners in order to increase their convergence and accelerate their
572 performances.  However, most  of the  good preconditioners  are not  scalable on
573 large clusters.
574
575 In this  paper we propose a  two-stage algorithm based on  two nested iterations
576 called inner-outer  iterations.  This algorithm  consists in solving  the sparse
577 linear system iteratively  with a small number of  inner iterations and restarts
578 the outer  step with a  new solution minimizing  some error functions  over some
579 previous residuals. This algorithm is iterative and easy to parallelize on large
580 clusters   and  the   minimization  technique   improves  its   convergence  and
581 performances.
582
583 The present paper is organized  as follows. In Section~\ref{sec:02} some related
584 works are presented. Section~\ref{sec:03} presents our two-stage algorithm using
585 a  least-square  residual  minimization.   Section~\ref{sec:04}  describes  some
586 convergence  results  on this  method.   In Section~\ref{sec:05},  parallization
587 details  of  TSARM  are  given.  Section~\ref{sec:06}  shows  some  experimental
588 results  obtained on large  clusters of  our algorithm  using routines  of PETSc
589 toolkit.  Finally Section~\ref{sec:06} concludes and gives some perspectives.
590 %%%*********************************************************
591 %%%*********************************************************
592
593
594
595 %%%*********************************************************
596 %%%*********************************************************
597 \section{Related works}
598 \label{sec:02} 
599 %Wherever Times is specified, Times Roman or Times New Roman may be used. If neither is available on your system, please use the font closest in appearance to Times. Avoid using bit-mapped fonts if possible. True-Type 1 or Open Type fonts are preferred. Please embed symbol fonts, as well, for math, etc.
600 %%%*********************************************************
601 %%%*********************************************************
602
603
604
605 %%%*********************************************************
606 %%%*********************************************************
607 \section{Two-stage algorithm with least-square residuals minimization}
608 \label{sec:03}
609 A two-stage algorithm is proposed  to solve large  sparse linear systems  of the
610 form  $Ax=b$,  where  $A\in\mathbb{R}^{n\times   n}$  is  a  sparse  and  square
611 nonsingular   matrix,   $x\in\mathbb{R}^n$    is   the   solution   vector   and
612 $b\in\mathbb{R}^n$ is  the right-hand side.  The algorithm is implemented  as an
613 inner-outer iteration  solver based  on iterative Krylov  methods. The  main key
614 points of our solver are given in Algorithm~\ref{algo:01}.
615
616 In order to accelerate the convergence, the outer iteration periodically applies
617 a least-square minimization  on the residuals computed by  the inner solver. The
618 inner solver is a Krylov based solver which does not required to be changed.
619
620 At each outer iteration, the sparse linear system $Ax=b$ is solved, only for $m$
621 iterations, using an iterative method restarting with the previous solution. For
622 example, the GMRES method~\cite{Saad86} or some of its variants can be used as a
623 inner solver. The current solution of the Krylov method is saved inside a matrix
624 $S$ composed of successive solutions computed by the inner iteration.
625
626 Periodically, every $s$ iterations, the minimization step is applied in order to
627 compute a new  solution $x$. For that, the previous  residuals are computed with
628 $(b-AS)$. The minimization of the residuals is obtained by 
629 \begin{equation}
630    \underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2
631 \label{eq:01}
632 \end{equation}
633 with $R=AS$. Then the new solution $x$ is computed with $x=S\alpha$.
634
635
636 In  practice, $R$  is a  dense rectangular  matrix in  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
637 $s\ll n$.   In order  to minimize~(\ref{eq:01}), a  least-square method  such as
638 CGLS ~\cite{Hestenes52}  or LSQR~\cite{Paige82} is used. Those  methods are more
639 appropriate than a direct method in a parallel context.
640
641 \begin{algorithm}[t]
642 \caption{TSARM}
643 \begin{algorithmic}[1]
644   \Input $A$ (sparse matrix), $b$ (right-hand side)
645   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
646   \State Set the initial guess $x^0$
647   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence (error$<\epsilon_{kryl}$)} \label{algo:conv}
648     \State  $x^k=Solve(A,b,x^{k-1},max\_iter_{kryl})$   \label{algo:solve}
649     \State retrieve error
650     \State $S_{k~mod~s}=x^k$ \label{algo:store}
651     \If {$k$ mod $s=0$ {\bf and} error$>\epsilon_{kryl}$}
652       \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix} \label{algo:matrix_mul}
653       \State Solve least-squares problem $\underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2$ \label{algo:}
654       \State $x^k=S\alpha$  \Comment{compute new solution}
655     \EndIf
656   \EndFor
657 \end{algorithmic}
658 \label{algo:01}
659 \end{algorithm}
660
661 Algorithm~\ref{algo:01}  summarizes  the principle  of  our  method.  The  outer
662 iteration is  inside the for  loop. Line~\ref{algo:solve}, the Krylov  method is
663 called for a  maximum of $max\_iter_{kryl}$ iterations.  In practice, we  suggest to set this parameter
664 equals to  the restart  number of the  GMRES-like method. Moreover,  a tolerance
665 threshold must be specified for the  solver. In practice, this threshold must be
666 much  smaller  than the  convergence  threshold  of  the TSARM  algorithm  (i.e.
667 $\epsilon$).  Line~\ref{algo:store}, $S_{k~ mod~ s}=x^k$ consists in copying the
668 solution  $x_k$  into the  column  $k~  mod~ s$ of  the  matrix  $S$. After  the
669 minimization, the matrix $S$ is reused with the new values of the residuals.  To
670 solve the minimization problem, an  iterative method is used. Two parameters are
671 required for that: the maximum number of iteration and the threshold to stop the
672 method.
673
674 To summarize, the important parameters of TSARM are:
675 \begin{itemize}
676 \item $\epsilon_{kryl}$ the threshold to stop the method of the krylov method
677 \item $max\_iter_{kryl}$ the maximum number of iterations for the krylov method
678 \item $s$ the number of outer iterations before applying the minimization step
679 \item $max\_iter_{ls}$ the maximum number of iterations for the iterative least-square method
680 \item $\epsilon_{ls}$ the threshold to stop the least-square method
681 \end{itemize}
682
683 %%%*********************************************************
684 %%%*********************************************************
685
686 \section{Convergence results}
687 \label{sec:04}
688
689
690
691 %%%*********************************************************
692 %%%*********************************************************
693 \section{Parallelization}
694 \label{sec:05}
695
696 The  parallelisation  of  TSARM  relies   on  the  parallelization  of  all  its
697 parts. More  precisely, except  the least-square step,  all the other  parts are
698 obvious to  achieve out in parallel. In  order to develop a  parallel version of
699 our   code,   we   have   chosen  to   use   PETSc~\cite{petsc-web-page}.    For
700 line~\ref{algo:matrix_mul} the  matrix-matrix multiplication is  implemented and
701 efficient since the  matrix $A$ is sparse and since the  matrix $S$ contains few
702 colums in  practice. As explained  previously, at least  two methods seem  to be
703 interesting to solve the least-square minimization, CGLS and LSQR.
704
705 In the following  we remind the CGLS algorithm. The LSQR  method follows more or
706 less the same principle but it take more place, so we briefly explain the parallelization of CGLS which is similar to LSQR.
707
708 \begin{algorithm}[t]
709 \caption{CGLS}
710 \begin{algorithmic}[1]
711   \Input $A$ (matrix), $b$ (right-hand side)
712   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
713   \State $r=b-Ax$
714   \State $p=A'r$
715   \State $s=p$
716   \State $g=||s||^2_2$
717   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence (g$<\epsilon_{ls}$)} \label{algo2:conv}
718     \State $q=Ap$
719     \State $\alpha=g/||q||^2_2$
720     \State $x=x+alpha*p$
721     \State $r=r-alpha*q$
722     \State $s=A'*r$
723     \State $g_{old}=g$
724     \State $g=||s||^2_2$
725     \State $\beta=g/g_{old}$
726   \EndFor
727 \end{algorithmic}
728 \label{algo:02}
729 \end{algorithm}
730
731
732 In each iteration  of CGLS, there is two  matrix-vector multiplications and some
733 classical operations:  dots, norm, multiplication  and addition on  vectors. All
734 these operations are easy to implement in PETSc or similar environment.
735
736 %%%*********************************************************
737 %%%*********************************************************
738 \section{Experiments using petsc}
739 \label{sec:06}
740
741
742 In order to see the influence of our algorithm with only one processor, we first
743 show  a comparison  with the  standard version  of GMRES  and our  algorithm. In
744 table~\ref{tab:01},  we  show  the  matrices  we  have used  and  some  of  them
745 characteristics. For all  the matrices, the name, the field,  the number of rows
746 and the number of nonzero elements is given.
747
748 \begin{table*}
749 \begin{center}
750 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|} 
751 \hline
752 Matrix name              & Field             &\# Rows   & \# Nonzeros   \\\hline \hline
753 crashbasis         & Optimization      & 160,000  &  1,750,416  \\
754 parabolic\_fem     & Computational fluid dynamics  & 525,825 & 2,100,225 \\
755 epb3               & Thermal problem   & 84,617  & 463,625  \\
756 atmosmodj          & Computational fluid dynamics  & 1,270,432 & 8,814,880 \\
757 bfwa398            & Electromagnetics problem & 398 & 3,678 \\
758 torso3             & 2D/3D problem & 259,156 & 4,429,042 \\
759 \hline
760
761 \end{tabular}
762 \caption{Main characteristics of the sparse matrices chosen from the Davis collection}
763 \label{tab:01}
764 \end{center}
765 \end{table*}
766
767 The following  parameters have been chosen  for our experiments.   As by default
768 the restart  of GMRES is performed every  30 iterations, we have  chosen to stop
769 the     GMRES    every     30    iterations     (line     \ref{algo:solve}    in
770 Algorithm~\ref{algo:01}).   $s$ is  set to  8. CGLS  is chosen  to  minimize the
771 least-squares  problem.  Two  conditions  are  used to  stop  CGLS,  either  the
772 precision is under $1e-40$ or the  number of iterations is greater to $20$.  The
773 external   precision    is   set    to   $1e-10$   (line    \ref{algo:conv}   in
774 Algorithm~\ref{algo:01}).  Those  experiments have been performed  on a Intel(R)
775 Core(TM) i7-3630QM CPU @ 2.40GHz with the version 3.5.1 of PETSc.
776
777
778 In  Table~\ref{tab:02}, some  experiments comparing  the solving  of  the linear
779 systems obtained with the previous matrices  with a GMRES variant and with out 2
780 stage algorithm are  given. In the second column, it can  be noticed that either
781 gmres or fgmres is used to  solve the linear system.  According to the matrices,
782 different preconditioner is  used.  With the 2 stage  algorithm, the same solver
783 and  the same  preconditionner  is used.   This  Table shows  that  the 2  stage
784 algorithm  can  drastically  reduce  the  number  of  iterations  to  reach  the
785 convergence when the  number of iterations for the normal GMRES  is more or less
786 greater than  500. In fact  this also depends  on tow parameters: the  number of
787 iterations  to  stop  GMRES  and   the  number  of  iterations  to  perform  the
788 minimization.
789
790
791 \begin{table}
792 \begin{center}
793 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|r|} 
794 \hline
795
796  \multirow{2}{*}{Matrix name}  & Solver /   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} \\ 
797 \cline{3-6}
798        &  precond             & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter.  \\\hline \hline
799
800 crashbasis         & gmres / none             &  15.65     & 518  &  14.12 & 450  \\
801 parabolic\_fem     & gmres / ilu           & 1009.94   & 7573 & 401.52 & 2970 \\
802 epb3               & fgmres / sor             &  8.67     & 600  &  8.21 & 540  \\
803 atmosmodj          &  fgmres / sor & 104.23  & 451 & 88.97 & 366  \\
804 bfwa398            & gmres / none  & 1.42 & 9612 & 0.28 & 1650 \\
805 torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\
806 \hline
807
808 \end{tabular}
809 \caption{Comparison of (F)GMRES and 2 stage (F)GMRES algorithms in sequential with some matrices, time is expressed in seconds.}
810 \label{tab:02}
811 \end{center}
812 \end{table}
813
814
815
816
817
818 In the following we describe the applications of PETSc we have experimented. Those applications are available in the ksp part which is suited for  scalable linear equations solvers:
819 \begin{itemize}
820 \item ex15  is an example  which solves in  parallel an operator using  a  finite  difference  scheme.  The  diagonal is  equals  to  4  and  4
821   extra-diagonals  representing the  neighbors in  each directions  is  equal to
822   -1. This  example is used in many  physical phenomena , for  exemple, heat and
823   fluid flow, wave propagation...
824 \item ex54 is another example based on 2D problem discretized  with quadrilateral finite elements. For this example, the user can define the scaling of material coefficient in embedded circle, it is called $\alpha$.
825 \end{itemize}
826 For more technical details on  these applications, interested reader are invited
827 to  read the  codes available  in the  PETSc sources.   Those problem  have been
828 chosen because they  are scalable with many cores. We  have tested other problem
829 but they are not scalable with many cores.
830
831
832
833
834 \begin{table*}
835 \begin{center}
836 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
837 \hline
838
839   nb. cores & precond   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain \\ 
840 \cline{3-8}
841              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
842   2,048      & mg                    & 403.49   & 18,210    & 73.89  & 3,060   & 77.84  & 3,270  & 5.46 \\
843   2,048      & sor                   & 745.37   & 57,060    & 87.31  & 6,150   & 104.21 & 7,230  & 8.53 \\
844   4,096      & mg                    & 562.25   & 25,170    & 97.23  & 3,990   & 89.71  & 3,630  & 6.27 \\
845   4,096      & sor                   & 912.12   & 70,194    & 145.57 & 9,750   & 168.97 & 10,980 & 6.26 \\
846   8,192      & mg                    & 917.02   & 40,290    & 148.81 & 5,730   & 143.03 & 5,280  & 6.41 \\
847   8,192      & sor                   & 1,404.53 & 106,530   & 212.55 & 12,990  & 180.97 & 10,470 & 7.76 \\
848   16,384     & mg                    & 1,430.56 & 63,930    & 237.17 & 8,310   & 244.26 & 7,950  & 6.03 \\
849   16,384     & sor                   & 2,852.14 & 216,240   & 418.46 & 21,690  & 505.26 & 23,970 & 6.82 \\
850 \hline
851
852 \end{tabular}
853 \caption{Comparison of FGMRES and 2 stage FGMRES algorithms for ex15 of Petsc with 25000 components per core on Juqueen (threshold 1e-3, restart=30, s=12),  time is expressed in seconds.}
854 \label{tab:03}
855 \end{center}
856 \end{table*}
857
858
859 \begin{table*}
860 \begin{center}
861 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
862 \hline
863
864   nb. cores & threshold   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain \\ 
865 \cline{3-8}
866              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
867   2,048      & 8e-5                  & 108.88 & 16,560  & 23.06  &  3,630  & 22.79  & 3,630   & 4.77 \\
868   2,048      & 6e-5                  & 194.01 & 30,270  & 35.50  &  5,430  & 27.74  & 4,350   & 6.99 \\
869   4,096      & 7e-5                  & 160.59 & 22,530  & 35.15  &  5,130  & 29.21  & 4,350   & 5.49 \\
870   4,096      & 6e-5                  & 249.27 & 35,520  & 52.13  &  7,950  & 39.24  & 5,790   & 6.35 \\
871   8,192      & 6e-5                  & 149.54 & 17,280  & 28.68  &  3,810  & 29.05  & 3,990  & 5.21 \\
872   8,192      & 5e-5                  & 785.04 & 109,590 & 76.07  &  10,470  & 69.42 & 9,030  & 11.30 \\
873   16,384     & 4e-5                  & 718.61 & 86,400 & 98.98  &  10,830  & 131.86  & 14,790  & 7.26 \\
874 \hline
875
876 \end{tabular}
877 \caption{Comparison of FGMRES  and 2 stage FGMRES algorithms for ex54 of Petsc (both with the MG preconditioner) with 25000 components per core on Curie (restart=30, s=12),  time is expressed in seconds.}
878 \label{tab:04}
879 \end{center}
880 \end{table*}
881
882
883
884
885
886 \begin{table*}
887 \begin{center}
888 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
889 \hline
890
891   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain & \multicolumn{3}{c|}{efficiency} \\ 
892 \cline{2-7} \cline{9-11}
893                     & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. &   & GMRES & TS CGLS & TS LSQR\\\hline \hline
894    512              & 3,969.69 & 33,120 & 709.57 & 5,790  & 622.76 & 5,070  & 6.37  &   1    &    1    &     1     \\
895    1024             & 1,530.06  & 25,860 & 290.95 & 4,830  & 307.71 & 5,070 & 5.25  &  1.30  &    1.21  &   1.01     \\
896    2048             & 919.62    & 31,470 & 237.52 & 8,040  & 194.22 & 6,510 & 4.73  & 1.08   &    .75   &   .80\\
897    4096             & 405.60    & 28,380 & 111.67 & 7,590  & 91.72  & 6,510 & 4.42  & 1.22   &  .79     &   .84 \\
898    8192             & 785.04   & 109,590 & 76.07  & 10,470 & 69.42 & 9,030  & 11.30 &   .32  &   .58    &  .56 \\
899
900 \hline
901
902 \end{tabular}
903 \caption{Comparison of FGMRES  and 2 stage FGMRES algorithms for ex54 of Petsc (both with the MG preconditioner) with 204,919,225 components on Curie with different number of cores (restart=30, s=12, threshol 5e-5),  time is expressed in seconds.}
904 \label{tab:05}
905 \end{center}
906 \end{table*}
907
908 %%%*********************************************************
909 %%%*********************************************************
910
911
912
913 %%%*********************************************************
914 %%%*********************************************************
915 \section{Conclusion}
916 \label{sec:07}
917 %The conclusion goes here. this is more of the conclusion
918 %%%*********************************************************
919 %%%*********************************************************
920
921
922 future plan : \\
923 - study other kinds of matrices, problems, inner solvers\\
924 - test the influence of all the parameters\\
925 - adaptative number of outer iterations to minimize\\
926 - other methods to minimize the residuals?\\
927 - implement our solver inside PETSc
928
929
930 % conference papers do not normally have an appendix
931
932
933
934 % use section* for acknowledgement
935 %%%*********************************************************
936 %%%*********************************************************
937 \section*{Acknowledgment}
938 This  paper  is   partially  funded  by  the  Labex   ACTION  program  (contract
939 ANR-11-LABX-01-01).   We acknowledge PRACE  for awarding  us access  to resource
940 Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
941
942
943
944 % trigger a \newpage just before the given reference
945 % number - used to balance the columns on the last page
946 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
947 % the document is modified later
948 %\IEEEtriggeratref{8}
949 % The "triggered" command can be changed if desired:
950 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
951
952 % references section
953
954 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
955 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
956 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
957 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
958 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
959 \bibliographystyle{IEEEtran}
960 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
961 \bibliography{biblio}
962 %
963 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
964 % set second argument of \begin to the number of references
965 % (used to reserve space for the reference number labels box)
966 %% \begin{thebibliography}{1}
967
968 %% \bibitem{saad86} Y.~Saad and M.~H.~Schultz, \emph{GMRES: A Generalized Minimal Residual Algorithm for Solving Nonsymmetric Linear Systems}, SIAM Journal on Scientific and Statistical Computing, 7(3):856--869, 1986.
969
970 %% \bibitem{saad96} Y.~Saad, \emph{Iterative Methods for Sparse Linear Systems}, PWS Publishing, New York, 1996.
971
972 %% \bibitem{hestenes52} M.~R.~Hestenes and E.~Stiefel, \emph{Methods of conjugate gradients for solving linear system}, Journal of Research of National Bureau of Standards, B49:409--436, 1952.
973
974 %% \bibitem{paige82} C.~C.~Paige and A.~M.~Saunders, \emph{LSQR: An Algorithm for Sparse Linear Equations and Sparse Least Squares}, ACM Trans. Math. Softw. 8(1):43--71, 1982.
975 %% \end{thebibliography}
976
977
978
979
980 % that's all folks
981 \end{document}
982
983