]> AND Private Git Repository - GMRES2stage.git/blob - IJHPCN/paper.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
new
[GMRES2stage.git] / IJHPCN / paper.tex
1 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%\r
2 \documentclass{doublecol-new}\r
3 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%\r
4 \r
5 \usepackage{natbib,stfloats}\r
6 \usepackage{mathrsfs}\r
7 \usepackage[utf8]{inputenc}\r
8 \usepackage[T1]{fontenc}\r
9 \usepackage{algorithm}\r
10 \usepackage{algpseudocode}\r
11 \usepackage{amsmath}\r
12 \usepackage{amssymb}\r
13 \usepackage{multirow}\r
14 \usepackage{graphicx}\r
15 \usepackage{url}\r
16 \r
17 \def\newblock{\hskip .11em plus .33em minus .07em}\r
18 \r
19 \theoremstyle{TH}{\r
20 \newtheorem{lemma}{Lemma}\r
21 \newtheorem{theorem}[lemma]{Theorem}\r
22 \newtheorem{corrolary}[lemma]{Corrolary}\r
23 \newtheorem{conjecture}[lemma]{Conjecture}\r
24 \newtheorem{proposition}[lemma]{Proposition}\r
25 \newtheorem{claim}[lemma]{Claim}\r
26 \newtheorem{stheorem}[lemma]{Wrong Theorem}\r
27 %\newtheorem{algorithm}{Algorithm}\r
28 }\r
29 \r
30 \theoremstyle{THrm}{\r
31 \newtheorem{definition}{Definition}[section]\r
32 \newtheorem{question}{Question}[section]\r
33 \newtheorem{remark}{Remark}\r
34 \newtheorem{scheme}{Scheme}\r
35 }\r
36 \r
37 \theoremstyle{THhit}{\r
38 \newtheorem{case}{Case}[section]\r
39 }\r
40 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}\r
41 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}\r
42 \r
43 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}\r
44 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}\r
45 \r
46 \r
47 \r
48 \r
49 \makeatletter\r
50 \def\theequation{\arabic{equation}}\r
51 \r
52 %\JOURNALNAME{\TEN{\it Int. J. System Control and Information\r
53 %Processing,\r
54 %Vol. \theVOL, No. \theISSUE, \thePUBYEAR\hfill\thepage}}%\r
55 %\r
56 %\def\BottomCatch{%\r
57 %\vskip -10pt\r
58 %\thispagestyle{empty}%\r
59 %\begin{table}[b]%\r
60 %\NINE\begin{tabular*}{\textwidth}{@{\extracolsep{\fill}}lcr@{}}%\r
61 %\\[-12pt]\r
62 %Copyright \copyright\ 2012 Inderscience Enterprises Ltd. & &%\r
63 %\end{tabular*}%\r
64 %\vskip -30pt%\r
65 %%%\vskip -35pt%\r
66 %\end{table}%\r
67 %}\r
68 \makeatother\r
69 \r
70 %%%%%%%%%%%%%%%%%\r
71 \begin{document}%\r
72 %%%%%%%%%%%%%%%%%\r
73 \r
74 \setcounter{page}{1}\r
75 \r
76 \LRH{F. Wang et~al.}\r
77 \r
78 \RRH{Metadata Based Management and Sharing of Distributed Biomedical\r
79 Data}\r
80 \r
81 \VOL{x}\r
82 \r
83 \ISSUE{x}\r
84 \r
85 \PUBYEAR{xxxx}\r
86 \r
87 \BottomCatch\r
88 \r
89 \PUBYEAR{2012}\r
90 \r
91 \subtitle{}\r
92 \r
93 \title{TSIRM: A Two-Stage Iteration with least-squares Residual Minimization algorithm to solve large sparse linear and non linear systems}\r
94 \r
95 %\r
96 \authorA{Rapha\"el Couturier}\r
97 %\r
98 \affA{Femto-ST Institute, University of Bourgogne Franche-Comte, France\\\r
99   E-mail: raphael.couturier@univ-fcomte.fr}\r
100 %\r
101 %\r
102 \authorB{Lilia Ziane Khodja}\r
103 \affB{LTAS-Mécanique numérique non linéaire, University of Liege, Belgium \\\r
104    E-mail: l.zianekhodja@ulg.ac.be}\r
105 \r
106 \authorC{Christophe Guyeux}\r
107 \affC{Femto-ST Institute, University of Bourgogne Franche-Comte, France\\\r
108   E-mail: christophe.guyeux@univ-fcomte.fr}\r
109 \r
110 \r
111 \begin{abstract}\r
112 In  this article, a  two-stage iterative  algorithm is  proposed to  improve the\r
113 convergence  of  Krylov  based  iterative  methods,  typically  those  of  GMRES\r
114 variants.  The  principle of  the  proposed approach  is  to  build an  external\r
115 iteration over the  Krylov method, and to frequently  store its current residual\r
116 (at each GMRES restart for instance).  After a given number of outer iterations,\r
117 a least-squares minimization step is applied on the matrix composed by the saved\r
118 residuals, in order  to compute a better solution and to  make new iterations if\r
119 required.  It  is proven that the  proposal has the  same convergence properties\r
120 than the  inner embedded  method itself.  Experiments  using up to  16,394 cores\r
121 also  show that the  proposed algorithm  runs around  5 or  7 times  faster than\r
122 GMRES.\r
123 \end{abstract}\r
124 \r
125 \KEYWORD{Iterative Krylov methods; sparse linear and non linear systems; two stage iteration; least-squares residual minimization; PETSc.}\r
126 \r
127 %\REF{to this paper should be made as follows: Rodr\'{\i}guez\r
128 %Bol\'{\i}var, M.P. and Sen\'{e}s Garc\'{\i}a, B. (xxxx) `The\r
129 %corporate environmental disclosures on the internet: the case of\r
130 %IBEX 35 Spanish companies', {\it International Journal of Metadata,\r
131 %Semantics and Ontologies}, Vol. x, No. x, pp.xxx\textendash xxx.}\r
132 \r
133 \begin{bio}\r
134 Manuel Pedro Rodr\'iguez Bol\'ivar received his PhD in Accounting at\r
135 the University of Granada. He is a Lecturer at the Department of\r
136 Accounting and Finance, University of Granada. His research\r
137 interests include issues related to conceptual frameworks of\r
138 accounting, diffusion of financial information on Internet, Balanced\r
139 Scorecard applications and environmental accounting. He is author of\r
140 a great deal of research studies published at national and\r
141 international journals, conference proceedings as well as book\r
142 chapters, one of which has been edited by Kluwer Academic\r
143 Publishers.\vs{9}\r
144 \r
145 \noindent Bel\'en Sen\'es Garc\'ia received her PhD in Accounting at\r
146 the University of Granada. She is a Lecturer at the Department of\r
147 Accounting and Finance, University of Granada. Her research\r
148 interests are related to cultural, institutional and historic\r
149 accounting and in environmental accounting. She has published\r
150 research papers at national and international journals, conference\r
151 proceedings as well as chapters of books.\vs{8}\r
152 \r
153 \noindent Both authors have published a book about environmental\r
154 accounting edited by the Institute of Accounting and Auditing,\r
155 Ministry of Economic Affairs, in Spain in October 2003.\r
156 \end{bio}\r
157 \r
158 \r
159 \maketitle\r
160 \r
161 \r
162  \section{Introduction}\r
163 \r
164 Iterative methods have recently become more attractive than direct ones to solve\r
165 very large sparse  linear systems~\cite{Saad2003}.  They are more  efficient in a\r
166 parallel context,  supporting thousands of  cores, and they require  less memory\r
167 and  arithmetic operations than  direct methods~\cite{bahicontascoutu}.  This is\r
168 why new iterative methods are frequently proposed or adapted by researchers, and\r
169 the increasing need to solve very  large sparse linear systems has triggered the\r
170 development  of  such  efficient  iterative  techniques  suitable  for  parallel\r
171 processing.\r
172 \r
173 Most  of the  successful  iterative  methods currently  available  are based  on\r
174 so-called ``Krylov  subspaces''. They consist  in forming a basis  of successive\r
175 matrix powers  multiplied by an  initial vector, which  can be for  instance the\r
176 residual. These methods  use vectors orthogonality of the  Krylov subspace basis\r
177 in  order to solve  linear systems.   The best  known iterative  Krylov subspace\r
178 methods are conjugate gradient and GMRES ones (Generalized Minimal RESidual).\r
179 \r
180 \r
181 However,  iterative  methods  suffer   from  scalability  problems  on  parallel\r
182 computing  platforms  with many  processors,  due  to  their need  of  reduction\r
183 operations,   and  to   collective  communications   to   achieve  matrix-vector\r
184 multiplications. The  communications on large  clusters with thousands  of cores\r
185 and large sizes  of messages can significantly affect  the performances of these\r
186 iterative methods. As a consequence, Krylov subspace iteration methods are often\r
187 used  with  preconditioners  in  practice,  to increase  their  convergence  and\r
188 accelerate their  performances.  However, most  of the good  preconditioners are\r
189 not scalable on large clusters.\r
190 \r
191 In  this research work,  a two-stage  algorithm based  on two  nested iterations\r
192 called inner-outer  iterations is proposed.  This algorithm  consists in solving\r
193 the sparse  linear system iteratively with  a small number  of inner iterations,\r
194 and  restarting  the  outer step  with  a  new  solution minimizing  some  error\r
195 functions  over some previous  residuals. For  further information  on two-stage\r
196 iteration      methods,     interested      readers      are     invited      to\r
197 consult~\cite{Nichols:1973:CTS}. Two-stage algorithms are easy to parallelize on\r
198 large clusters.  Furthermore,  the least-squares minimization technique improves\r
199 its convergence and performances.\r
200 \r
201 The present  article is  organized as follows.   Related works are  presented in\r
202 Section~\ref{sec:02}. Section~\ref{sec:03} details the two-stage algorithm using\r
203 a  least-squares  residual   minimization,  while  Section~\ref{sec:04}  provides\r
204 convergence  results  regarding this  method.   Section~\ref{sec:05} shows  some\r
205 experimental  results  obtained  on  large  clusters  using  routines  of  PETSc\r
206 toolkit. This research work ends by  a conclusion section, in which the proposal\r
207 is summarized while intended perspectives are provided.\r
208 \r
209 \r
210 \r
211 %%%*********************************************************\r
212 %%%*********************************************************\r
213 \r
214 \r
215 \r
216 %%%*********************************************************\r
217 %%%*********************************************************\r
218 \section{Related works}\r
219 \label{sec:02} \r
220 Krylov subspace iteration methods have increasingly become key\r
221 techniques  for  solving  linear and nonlinear systems,  or  eigenvalue  problems,\r
222 especially      since       the      increasing      development       of      \r
223 preconditioners~\cite{Saad2003,Meijerink77}.  One reason  for  the popularity  of\r
224 these methods is their generality, simplicity, and efficiency to solve systems of\r
225 equations arising from very large and complex problems.\r
226 \r
227 GMRES is one of the most  widely used Krylov iterative method for solving sparse\r
228 and   large  linear   systems.  It   has   been  developed   by  Saad   \emph{et\r
229   al.}~\cite{Saad86}  as  a generalized  method  to  deal  with unsymmetric  and\r
230 non-Hermitian problems,  and indefinite symmetric problems too.  In its original\r
231 version  called full  GMRES,  this  algorithm minimizes  the  residual over  the\r
232 current Krylov subspace  until convergence in at most  $n$ iterations, where $n$\r
233 is the size  of the sparse matrix.   Full GMRES is however too  expensive in the\r
234 case  of  large  matrices,  since  the required  orthogonalization  process  per\r
235 iteration grows  quadratically with the  number of iterations. For  that reason,\r
236 GMRES is  restarted in  practice after  each $m\ll n$  iterations, to  avoid the\r
237 storage of a  large orthonormal basis. However, the  convergence behavior of the\r
238 restarted GMRES,  called GMRES($m$), in  many cases depends quite  critically on\r
239 the  $m$  value~\cite{Huang89}.  Therefore  in  most  cases,  a  preconditioning\r
240 technique  is applied  to the  restarted GMRES  method in  order to  improve its\r
241 convergence.\r
242 \r
243 To enhance the robustness of Krylov iterative solvers, some techniques have been\r
244 proposed allowing the use of different preconditioners, if necessary, within the\r
245 iteration  itself   instead  of  restarting.   Those  techniques   may  lead  to\r
246 considerable  savings  in  CPU  time  and memory  requirements.  Van  der  Vorst\r
247 in~\cite{Vorst94} has for  instance proposed variants of the  GMRES algorithm in\r
248 which a  different preconditioner is applied  in each iteration,  leading to the\r
249 so-called  GMRESR  family of  nested  methods.  In  fact,  the  GMRES method  is\r
250 effectively preconditioned with other iterative schemes (or GMRES itself), where\r
251 the  iterations  of the  GMRES  method are  called  outer  iterations while  the\r
252 iterations of  the preconditioning process  is referred to as  inner iterations.\r
253 Saad in~\cite{Saad:1993}  has proposed Flexible GMRES (FGMRES)  which is another\r
254 variant of the  GMRES algorithm using a variable  preconditioner.  In FGMRES the\r
255 search  directions  are  preconditioned  whereas  in GMRESR  the  residuals  are\r
256 preconditioned. However,  in practice, good  preconditioners are those  based on\r
257 direct methods,  as ILU preconditioners, which  are not easy  to parallelize and\r
258 suffer from the scalability problems on large clusters of thousands of cores.\r
259 \r
260 Recently,  communication-avoiding  methods have  been  developed  to reduce  the\r
261 communication overheads in Krylov subspace iterative solvers. On modern computer\r
262 architectures,   communications  between   processors  are   much   slower  than\r
263 floating-point        arithmetic       operations        on        a       given\r
264 processor.   Communication-avoiding  techniques  reduce   either  communications\r
265 between processors or data movements  between levels of the memory hierarchy, by\r
266 reformulating the communication-bound kernels (more frequently SpMV kernels) and\r
267 the orthogonalization  operations within the Krylov  iterative solver. Different\r
268 works have  studied the communication-avoiding techniques for  the GMRES method,\r
269 so-called     CA-GMRES,     on     multicore    processors     and     multi-GPU\r
270 machines~\cite{Mohiyuddin2009,Hoemmen2010,Yamazaki2014}.\r
271 \r
272 Compared  to all these  works and  to all  the other  works on  Krylov iterative\r
273 methods,  the originality of  our work  is to  build a  second iteration  over a\r
274 Krylov  iterative method  and to  minimize  the residuals  with a  least-squares\r
275 method after a given number of outer iterations.\r
276 \r
277 %%%*********************************************************\r
278 %%%*********************************************************\r
279 \r
280 \r
281 \r
282 %%%*********************************************************\r
283 %%%*********************************************************\r
284 \section{TSIRM: Two-stage iteration with least-squares residuals minimization algorithm}\r
285 \label{sec:03}\r
286 A two-stage  algorithm is proposed to  solve large sparse linear  systems of the\r
287 form  $Ax=b$,  where  $A\in\mathbb{R}^{n\times   n}$  is  a  sparse  and  square\r
288 nonsingular   matrix,   $x\in\mathbb{R}^n$   is   the   solution   vector,   and\r
289 $b\in\mathbb{R}^n$  is  the  right-hand  side.   As  explained  previously,  the\r
290 algorithm is implemented  as an inner-outer iteration solver  based on iterative\r
291 Krylov  methods.  The  main key-points  of  the  proposed  solver are  given  in\r
292 Algorithm~\ref{algo:01}.  It can be summarized as follows: the inner solver is a\r
293 Krylov  based one.  In order  to accelerate  its convergence,  the  outer solver\r
294 periodically applies  a least-squares minimization on the  residuals computed by\r
295 the inner one.\r
296 \r
297 At each  outer iteration,  the sparse linear  system $Ax=b$ is  partially solved\r
298 using only $m$ iterations of  an iterative method, this latter being initialized\r
299 with the last obtained approximation.  The GMRES method~\cite{Saad86}, or any of\r
300 its variants, can potentially be used as inner solver. The current approximation\r
301 of the Krylov method  is then stored inside a $n \times  s$ matrix $S$, which is\r
302 composed by  the $s$  last solutions  that have been  computed during  the inner\r
303 iterations phase.   In the remainder,  the $i$-th column  vector of $S$  will be\r
304 denoted by $S_i$.\r
305 \r
306 At each $s$ iterations, another kind of minimization step is applied in order to\r
307 compute  a new  solution $x$.  For that,  the previous  residuals of  $Ax=b$ are\r
308 computed  by  the  inner  iterations  with $(b-AS)$.  The  minimization  of  the\r
309 residuals is obtained by\r
310 \begin{equation}\r
311    \underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2\r
312 \label{eq:01}\r
313 \end{equation}\r
314 with $R=AS$. The new solution $x$ is then computed with $x=S\alpha$.\r
315 \r
316 \r
317 In practice, $R$ is a dense rectangular matrix belonging in $\mathbb{R}^{n\times\r
318   s}$,  with $s\ll  n$.   In order  to  minimize~\eqref{eq:01}, a  least-squares\r
319 method such  as CGLS ~\cite{Hestenes52}  or LSQR~\cite{Paige82} is  used. Remark\r
320 that  these methods  are  more appropriate  than  a single  direct  method in  a\r
321 parallel context. CGLS has recently been used to improve the performance of multisplitting algorithms \cite{cz15:ij}.\r
322 \r
323 \r
324 \r
325 \begin{algorithm}[t]\r
326 \caption{TSIRM}\r
327 \begin{algorithmic}[1]\r
328   \Input $A$ (sparse matrix), $b$ (right-hand side)\r
329   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}\r
330   \State Set the initial guess $x_0$\r
331   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence ($error<\epsilon_{tsirm}$)} \label{algo:conv}\r
332     \State  $[x_k,error]=Solve(A,b,x_{k-1},max\_iter_{kryl})$   \label{algo:solve}\r
333     \State $S_{k \mod s}=x_k$ \label{algo:store} \Comment{update column ($k \mod s$) of $S$}\r
334     \If {$k \mod s=0$ {\bf and} $error>\epsilon_{kryl}$}\r
335       \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix} \label{algo:matrix_mul}\r
336             \State $\alpha=Least\_Squares(R,b,max\_iter_{ls})$ \label{algo:}\r
337       \State $x_k=S\alpha$  \Comment{compute new solution}\r
338     \EndIf\r
339   \EndFor\r
340 \end{algorithmic}\r
341 \label{algo:01}\r
342 \end{algorithm}\r
343 \r
344 Algorithm~\ref{algo:01} summarizes  the principle  of the proposed  method.  The\r
345 outer iteration is inside the \emph{for} loop. Line~\ref{algo:solve}, the Krylov\r
346 method is called  for a maximum of $max\_iter_{kryl}$  iterations.  In practice,\r
347 we suggest to  set this parameter equal to the restart  number in the GMRES-like\r
348 method. Moreover,  a tolerance  threshold must be  specified for the  solver. In\r
349 practice, this threshold must be  much smaller than the convergence threshold of\r
350 the TSIRM  algorithm (\emph{i.e.},  $\epsilon_{tsirm}$).  We also  consider that\r
351 after  the call of  the $Solve$  function, we  obtain the  vector $x_k$  and the\r
352 $error$, which is defined by $||Ax_k-b||_2$.\r
353 \r
354   Line~\ref{algo:store},  $S_{k \mod  s}=x_k$ consists  in copying  the solution\r
355   $x_k$ into the  column $k \mod s$ of $S$.  After  the minimization, the matrix\r
356   $S$ is reused with the new values of the residuals.  To solve the minimization\r
357   problem, an  iterative method is used.  Two parameters are  required for that:\r
358   the maximum number of iterations  ($max\_iter_{ls}$) and the threshold to stop\r
359   the method ($\epsilon_{ls}$).\r
360 \r
361 Let us summarize the most important parameters of TSIRM:\r
362 \begin{itemize}\r
363 \item $\epsilon_{tsirm}$: the threshold that stops the TSIRM method;\r
364 \item $max\_iter_{kryl}$: the maximum number of iterations for the Krylov method;\r
365 \item $s$: the number of outer iterations before applying the minimization step;\r
366 \item $max\_iter_{ls}$: the maximum number of iterations for the iterative least-squares method;\r
367 \item $\epsilon_{ls}$: the threshold used to stop the least-squares method.\r
368 \end{itemize}\r
369 \r
370 \r
371 The  parallelization  of  TSIRM  relies   on  the  parallelization  of  all  its\r
372 parts. More  precisely, except the least-squares  step, all the  other parts are\r
373 obvious to  achieve out in parallel. In  order to develop a  parallel version of\r
374 our   code,   we   have   chosen   to   use   PETSc~\cite{petsc-web-page}.    In\r
375 line~\ref{algo:matrix_mul}, the matrix-matrix  multiplication is implemented and\r
376 efficient since the matrix $A$ is sparse and the matrix $S$ contains few columns\r
377 in  practice.  As  explained  previously,  at  least  two  methods  seem  to  be\r
378 interesting  to solve  the least-squares  minimization,  the CGLS  and the  LSQR\r
379 methods.\r
380 \r
381 In Algorithm~\ref{algo:02} we remind the CGLS algorithm. The LSQR method follows\r
382 more or less the  same principle but it takes more place,  so we briefly explain\r
383 the parallelization of CGLS which is  similar to LSQR.\r
384 \r
385 \begin{algorithm}[t]\r
386 \caption{CGLS}\r
387 \begin{algorithmic}[1]\r
388   \Input $A$ (matrix), $b$ (right-hand side)\r
389   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}\r
390   \State Let $x_0$ be an initial approximation\r
391   \State $r_0=b-Ax_0$\r
392   \State $p_1=A^Tr_0$\r
393   \State $s_0=p_1$\r
394   \State $\gamma=||s_0||^2_2$\r
395   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence ($\gamma<\epsilon_{ls}$)} \label{algo2:conv}\r
396     \State $q_k=Ap_k$\r
397     \State $\alpha_k=\gamma/||q_k||^2_2$\r
398     \State $x_k=x_{k-1}+\alpha_kp_k$\r
399     \State $r_k=r_{k-1}-\alpha_kq_k$\r
400     \State $s_k=A^Tr_k$\r
401     \State $\gamma_{old}=\gamma$\r
402     \State $\gamma=||s_k||^2_2$\r
403     \State $\beta_k=\gamma/\gamma_{old}$\r
404     \State $p_{k+1}=s_k+\beta_kp_k$\r
405   \EndFor\r
406 \end{algorithmic}\r
407 \label{algo:02}\r
408 \end{algorithm}\r
409 \r
410 \r
411 In each iteration  of CGLS, there are two  matrix-vector multiplications and some\r
412 classical  operations:  dot  product,   norm,  multiplication,  and  addition  on\r
413 vectors.  All  these  operations are  easy  to  implement  in PETSc  or  similar\r
414 environment.  It should be noticed that LSQR follows the same principle, it is a\r
415 little bit longer but it performs more or less the same operations.\r
416 \r
417 \r
418 %%%*********************************************************\r
419 %%%*********************************************************\r
420 \r
421 \section{Convergence results}\r
422 \label{sec:04}\r
423 \r
424 \r
425 We can now claim that,\r
426 \begin{proposition}\r
427 \label{prop:saad}\r
428 If $A$ is either a definite positive or a positive matrix and GMRES($m$) is used as a solver, then the TSIRM algorithm is convergent. \r
429 \r
430 Furthermore, let $r_k$ be the\r
431 $k$-th residue of TSIRM, then\r
432 we have the following boundaries:\r
433 \begin{itemize}\r
434 \item when $A$ is positive:\r
435 \begin{equation}\r
436 ||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0|| ,\r
437 \end{equation}\r
438 where $M$ is the symmetric part of $A$, $\alpha = \lambda_{min}(M)^2$ and $\beta = \lambda_{max}(A^T A)$;\r
439 \item when $A$ is positive definite:\r
440 \begin{equation}\r
441 \|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_0\|.\r
442 \end{equation}\r
443 \end{itemize}\r
444 %In the general case, where A is not positive definite, we have\r
445 %$\|r_n\| \le \inf_{p \in P_n} \|p(A)\| \le \kappa_2(V) \inf_{p \in P_n} \max_{\lambda \in \sigma(A)} |p(\lambda)| \|r_0\|, .$\r
446 \end{proposition}\r
447 \r
448 \begin{proof}\r
449 Let us first recall that the residue is under control when considering the GMRES algorithm on a positive definite matrix, and it is bounded as follows:\r
450 \begin{equation*}\r
451 \|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{k/2} \|r_0\| .\r
452 \end{equation*}\r
453 Additionally, when $A$ is a positive real matrix with symmetric part $M$, then the residual norm provided at the $m$-th step of GMRES satisfies:\r
454 \begin{equation*}\r
455 ||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_0|| ,\r
456 \end{equation*}\r
457 where $\alpha$ and $\beta$ are defined as in Proposition~\ref{prop:saad}, which proves \r
458 the convergence of GMRES($m$) for all $m$ under such assumptions regarding $A$.\r
459 These well-known results can be found, \emph{e.g.}, in~\cite{Saad86}.\r
460 \r
461 We will now prove by a mathematical induction that, for each $k \in \mathbb{N}^\ast$, \r
462 $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{mk}{2}} ||r_0||$ when $A$ is positive, and $\|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_0\|$ when $A$ is positive definite.\r
463 \r
464 The base case is obvious, as for $k=1$, the TSIRM algorithm simply consists in applying GMRES($m$) once, leading to a new residual $r_1$ that follows the inductive hypothesis due to the results recalled above.\r
465 \r
466 Suppose now that the claim holds for all $m=1, 2, \hdots, k-1$, that is, $\forall m \in \{1,2,\hdots, k-1\}$, $||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$ in the positive case, and $\|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_0\|$ in the definite positive one.\r
467 We will show that the statement holds too for $r_k$. Two situations can occur:\r
468 \begin{itemize}\r
469 \item If $k \not\equiv 0 ~(\textrm{mod}\ m)$, then the TSIRM algorithm consists in executing GMRES once. In that case and by using the inductive hypothesis, we obtain either $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$ if $A$ is positive, or $\|r_k\| \leqslant \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{m/2} \|r_{k-1}\|$ $\leqslant$ $\left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_{0}\|$ in the positive definite case.\r
470 \item Else, the TSIRM algorithm consists in two stages: a first GMRES($m$) execution leads to a temporary $x_k$ whose residue satisfies:\r
471 \begin{itemize}\r
472 \item $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$ in the positive case, \r
473 \item $\|r_k\| \leqslant \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{m/2} \|r_{k-1}\|$ $\leqslant$ $\left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_{0}\|$ in the positive definite one,\r
474 \end{itemize}\r
475 and a least squares resolution.\r
476 Let $\operatorname{span}(S) = \left \{ {\sum_{i=1}^k \lambda_i v_i \Big| k \in \mathbb{N}, v_i \in S, \lambda _i \in \mathbb{R}} \right \}$ be the linear span of a set of real vectors $S$. So,\\\r
477 $\min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-R\alpha ||_2 = \min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-AS\alpha ||_2$\r
478 \r
479 $\begin{array}{ll}\r
480 & = \min_{x \in span\left(S_{k-s+1}, S_{k-s+2}, \hdots, S_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\\r
481 & = \min_{x \in span\left(x_{k-s+1}, x_{k-s}+2, \hdots, x_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\\r
482 & \leqslant \min_{x \in span\left( x_{k} \right)} ||b-Ax ||_2\\\r
483 & \leqslant \min_{\lambda \in \mathbb{R}} ||b-\lambda Ax_{k} ||_2\\\r
484 & \leqslant ||b-Ax_{k}||_2\\\r
485 & = ||r_k||_2\\\r
486 & \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||, \textrm{ if $A$ is positive,}\\\r
487 & \leqslant \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_{0}\|, \textrm{ if $A$ is}\\\r
488 & \textrm{positive definite,} \r
489 \end{array}$\r
490 \end{itemize}\r
491 which concludes the induction and the proof.\r
492 \end{proof}\r
493 \r
494 Remark that a similar proposition can be formulated at each time\r
495 the given solver satisfies an inequality of the form $||r_n|| \leqslant \mu^n ||r_0||$,\r
496 with $|\mu|<1$. Furthermore, it is \emph{a priori} possible in some particular cases \r
497 regarding $A$, \r
498 that the proposed TSIRM converges while the GMRES($m$) does not.\r
499 \r
500 %%%*********************************************************\r
501 %%%*********************************************************\r
502 \section{Experiments using PETSc}\r
503 \label{sec:05}\r
504 \r
505 \r
506 In order to see the behavior of our approach when considering only one processor,\r
507 a  first  comparison  with  GMRES  or  FGMRES and  the  new  algorithm  detailed\r
508 previously  has been  experimented.  Matrices  that  have been  used with  their\r
509 characteristics (names, fields, rows,  and nonzero coefficients) are detailed in\r
510 Table~\ref{tab:01}.  These  latter, which are  real-world applications matrices,\r
511 have    been   extracted    from   the    Davis   collection,    University   of\r
512 Florida~\cite{Dav97}.\r
513 \r
514 \begin{table*}[htbp]\r
515 \begin{center}\r
516 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|} \r
517 \hline\r
518 Matrix name              & Field             &\# Rows   & \# Nonzeros   \\\hline \hline\r
519 crashbasis         & Optimization      & 160,000  &  1,750,416  \\\r
520 parabolic\_fem     & Comput. fluid dynamics  & 525,825 & 2,100,225 \\\r
521 epb3               & Thermal problem   & 84,617  & 463,625  \\\r
522 atmosmodj          & Comput. fluid dynamics  & 1,270,432 & 8,814,880 \\\r
523 bfwa398            & Electromagnetics pb & 398 & 3,678 \\\r
524 torso3             & 2D/3D problem & 259,156 & 4,429,042 \\\r
525 \hline\r
526 \r
527 \end{tabular}\r
528 \caption{Main characteristics of the sparse matrices chosen from the Davis collection}\r
529 \label{tab:01}\r
530 \end{center}\r
531 \end{table*}\r
532 Chosen parameters  are detailed below.   \r
533 We have  stopped  the  GMRES every  30\r
534 iterations (\emph{i.e.}, $max\_iter_{kryl}=30$), which is the default \r
535 setting of GMRES restart parameter.  The parameter $s$ has been set to 8. CGLS \r
536  minimizes  the   least-squares  problem   with  parameters\r
537 $\epsilon_{ls}=1e-40$ and $max\_iter_{ls}=20$.  The external precision is set to\r
538 $\epsilon_{tsirm}=1e-10$.  These  experiments have been performed  on an Intel(R)\r
539 Core(TM) i7-3630QM CPU @ 2.40GHz with the 3.5.1 version  of PETSc.\r
540 \r
541 \r
542 Experiments comparing \r
543 a GMRES variant with TSIRM in the resolution of linear systems are given in  Table~\ref{tab:02}. \r
544 The  second column describes whether GMRES or FGMRES has been used for linear systems solving.  \r
545 Different preconditioners  have been used according to the matrices.  With  TSIRM, the  same\r
546 solver and the  same preconditioner are used.  This table  shows that TSIRM can\r
547 drastically reduce  the number of iterations needed to reach the  convergence, when the\r
548 number of iterations for  the normal GMRES is more or less  greater than 500. In\r
549 fact this also depends on two parameters: the number of iterations before stopping GMRES\r
550 and the number of iterations to perform the minimization.\r
551 \r
552 \r
553 \begin{table*}[htbp]\r
554 \begin{center}\r
555 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|r|} \r
556 \hline\r
557 \r
558  \multirow{2}{*}{Matrix name}  & Solver /   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} \\ \r
559 \cline{3-6}\r
560        &  precond             & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter.  \\\hline \hline\r
561 \r
562 crashbasis         & gmres / none             &  15.65     & 518  &  14.12 & 450  \\\r
563 parabolic\_fem     & gmres / ilu           & 1009.94   & 7573 & 401.52 & 2970 \\\r
564 epb3               & fgmres / sor             &  8.67     & 600  &  8.21 & 540  \\\r
565 atmosmodj          &  fgmres / sor & 104.23  & 451 & 88.97 & 366  \\\r
566 bfwa398            & gmres / none  & 1.42 & 9612 & 0.28 & 1650 \\\r
567 torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\\r
568 \hline\r
569 \r
570 \end{tabular}\r
571 \caption{Comparison between sequential standalone (F)GMRES and TSIRM with (F)GMRES (time in seconds).}\r
572 \label{tab:02}\r
573 \end{center}\r
574 \end{table*}\r
575 \r
576 \r
577 \r
578 \r
579 \r
580 In order to perform larger experiments, we have tested some example applications\r
581 of  PETSc. These  applications are  available in  the \emph{ksp}  part,  which is\r
582 suited for scalable linear equations solvers:\r
583 \begin{itemize}\r
584 \item ex15  is an example  that solves in  parallel an operator using  a finite\r
585   difference  scheme.   The  diagonal  is  equal to  4  and  4  extra-diagonals\r
586   representing the neighbors in each directions  are equal to -1. This example is\r
587   used  in many  physical phenomena, for  example, heat  and fluid  flow, wave\r
588   propagation, etc.\r
589 \item ex54 is another example based on a 2D problem discretized with quadrilateral\r
590   finite elements. In this example, the user can define the scaling of material\r
591   coefficient in embedded circle called $\alpha$.\r
592 \end{itemize}\r
593 For more technical details on these applications, interested readers are invited\r
594 to read  the codes  available in  the PETSc sources.   These problems  have been\r
595 chosen because they are scalable with many  cores.\r
596 \r
597 In  the  following,   larger  experiments  are  described  on   two  large  scale\r
598 architectures: Curie  and Juqueen.   Both these architectures  are supercomputers\r
599 respectively  composed  of  80,640  cores   for  Curie  and  458,752  cores  for\r
600 Juqueen. Those  machines are respectively hosted  by GENCI in  France and Jülich\r
601 Supercomputing Center in Germany.  They belong with other similar architectures\r
602 to the  PRACE initiative (Partnership  for Advanced Computing  in Europe), which\r
603 aims  at  proposing  high  performance supercomputing  architecture  to  enhance\r
604 research  in  Europe.  The  Curie  architecture is  composed  of  Intel  E5-2680\r
605 processors  at 2.7  GHz with  2Gb memory  by core.  The Juqueen  architecture,\r
606 for its part, is\r
607 composed by IBM PowerPC  A2 at  1.6 GHz with  1Gb memory  per core.  Both those\r
608 architectures are equipped with a dedicated high speed network.\r
609 \r
610 \r
611 In  many situations, using  preconditioners is  essential in  order to  find the\r
612 solution of a linear system.  There are many preconditioners available in PETSc.\r
613 However, for parallel applications, all  the preconditioners based on matrix factorization\r
614 are  not  available. In  our  experiments, we  have  tested  different kinds  of\r
615 preconditioners, but  as it is  not the subject  of this paper, we  will not\r
616 present results with many preconditioners. In  practice, we have chosen to use a\r
617 multigrid (mg)  and successive  over-relaxation (sor). For  further details  on the\r
618 preconditioners in PETSc, readers are referred to~\cite{petsc-web-page}.\r
619 \r
620 \r
621 \r
622 \begin{table*}[htbp]\r
623 \begin{center}\r
624 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} \r
625 \hline\r
626 \r
627   nb. cores & precond   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM LSQR} & best gain \\ \r
628 \cline{3-8}\r
629              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline\r
630   2,048      & mg                    & 403.49   & 18,210    & 73.89  & 3,060   & 77.84  & 3,270  & 5.46 \\\r
631   2,048      & sor                   & 745.37   & 57,060    & 87.31  & 6,150   & 104.21 & 7,230  & 8.53 \\\r
632   4,096      & mg                    & 562.25   & 25,170    & 97.23  & 3,990   & 89.71  & 3,630  & 6.27 \\\r
633   4,096      & sor                   & 912.12   & 70,194    & 145.57 & 9,750   & 168.97 & 10,980 & 6.26 \\\r
634   8,192      & mg                    & 917.02   & 40,290    & 148.81 & 5,730   & 143.03 & 5,280  & 6.41 \\\r
635   8,192      & sor                   & 1,404.53 & 106,530   & 212.55 & 12,990  & 180.97 & 10,470 & 7.76 \\\r
636   16,384     & mg                    & 1,430.56 & 63,930    & 237.17 & 8,310   & 244.26 & 7,950  & 6.03 \\\r
637   16,384     & sor                   & 2,852.14 & 216,240   & 418.46 & 21,690  & 505.26 & 23,970 & 6.82 \\\r
638 \hline\r
639 \r
640 \end{tabular}\r
641 \caption{Comparison of FGMRES and TSIRM with FGMRES for example ex15 of PETSc/KSP with two preconditioners (mg and sor) having 25,000 components per core on Juqueen ($\epsilon_{tsirm}=1e-3$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
642 \label{tab:03}\r
643 \end{center}\r
644 \end{table*}\r
645 \r
646 Table~\ref{tab:03} shows  the execution  times and the  number of  iterations of\r
647 example ex15  of PETSc on the  Juqueen architecture. Different  numbers of cores\r
648 are studied  ranging from 2,048 up-to  16,383 with the  two preconditioners {\it\r
649   mg}  and {\it  sor}.   For those  experiments,  the number  of components  (or\r
650 unknowns  of  the problems)  per  core  is fixed  at  25,000,  also called  weak\r
651 scaling. This number  can seem relatively small. In  fact, for some applications\r
652 that  need a  lot of  memory, the  number of  components per  processor requires\r
653 sometimes to  be small. Other parameters  for this application  are described in\r
654 the legend of this table.\r
655 \r
656 \r
657 \r
658 In  Table~\ref{tab:03},  we  can  notice   that  TSIRM  is  always  faster  than\r
659 FGMRES. The last  column shows the ratio between FGMRES and  the best version of\r
660 TSIRM according  to the minimization  procedure: CGLS or  LSQR. Even if  we have\r
661 computed the worst case between CGLS and  LSQR, it is clear that TSIRM is always\r
662 faster than  FGMRES. For  this example, the  multigrid preconditioner  is faster\r
663 than SOR. The gain between TSIRM and  FGMRES is more or less similar for the two\r
664 preconditioners.  Looking at the number  of iterations to reach the convergence,\r
665 it is  obvious that TSIRM allows the  reduction of the number  of iterations. It\r
666 should be noticed  that for TSIRM, in those experiments,  only the iterations of\r
667 the Krylov solver  are taken into account.  Iterations of CGLS  or LSQR were not\r
668 recorded  but they  are  time-consuming.  In  general, each  $max\_iter_{kryl}*s$\r
669 iterations which corresponds to 30*12, there are $max\_iter_{ls}$ iterations for\r
670 the least-squares method which corresponds to 15.\r
671 \r
672 \begin{figure}[htbp]\r
673 \centering\r
674   \includegraphics[width=0.5\textwidth]{nb_iter_sec_ex15_juqueen}\r
675 \caption{Number of iterations per second with ex15 and the same parameters as in Table~\ref{tab:03} (weak scaling)}\r
676 \label{fig:01}\r
677 \end{figure}\r
678 \r
679 \r
680 In  Figure~\ref{fig:01}, the number  of iterations  per second  corresponding to\r
681 Table~\ref{tab:03}  is  displayed.   It  can  be  noticed  that  the  number  of\r
682 iterations per second of FMGRES is constant whereas it decreases with TSIRM with\r
683 both preconditioners. This can be explained  by the fact that when the number of\r
684 cores increases, the time for the least-squares minimization step also increases\r
685 but, generally, when the number of  cores increases, the number of iterations to\r
686 reach the threshold  also increases, and, in that case,  TSIRM is more efficient\r
687 to reduce  the number of iterations. So,  the overall benefit of  using TSIRM is\r
688 interesting.\r
689 \r
690 \r
691 \r
692 \r
693 \r
694 \r
695 \begin{table*}[htbp]\r
696 \begin{center}\r
697 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} \r
698 \hline\r
699 \r
700   nb. cores & $\epsilon_{tsirm}$  & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM LSQR} & best gain \\ \r
701 \cline{3-8}\r
702              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline\r
703   2,048      & 8e-5                  & 108.88 & 16,560  & 23.06  &  3,630  & 22.79  & 3,630   & 4.77 \\\r
704   2,048      & 6e-5                  & 194.01 & 30,270  & 35.50  &  5,430  & 27.74  & 4,350   & 6.99 \\\r
705   4,096      & 7e-5                  & 160.59 & 22,530  & 35.15  &  5,130  & 29.21  & 4,350   & 5.49 \\\r
706   4,096      & 6e-5                  & 249.27 & 35,520  & 52.13  &  7,950  & 39.24  & 5,790   & 6.35 \\\r
707   8,192      & 6e-5                  & 149.54 & 17,280  & 28.68  &  3,810  & 29.05  & 3,990  & 5.21 \\\r
708   8,192      & 5e-5                  & 785.04 & 109,590 & 76.07  &  10,470  & 69.42 & 9,030  & 11.30 \\\r
709   16,384     & 4e-5                  & 718.61 & 86,400 & 98.98  &  10,830  & 131.86  & 14,790  & 7.26 \\\r
710 \hline\r
711 \r
712 \end{tabular}\r
713 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM with FGMRES algorithms for ex54 of PETSc/KSP (both with the MG preconditioner) with 25,000 components per core on Curie ($max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
714 \label{tab:04}\r
715 \end{center}\r
716 \end{table*}\r
717 \r
718 \r
719 In  Table~\ref{tab:04},  some  experiments   with  example  ex54  on  the  Curie\r
720 architecture are reported.  For this  application, we fixed $\alpha=0.6$.  As it\r
721 can be seen in that table, the size of the problem has a strong influence on the\r
722 number of iterations to reach the  convergence. That is why we have preferred to\r
723 change the threshold.  If we set  it to $1e-3$ as with the previous application,\r
724 only one iteration is necessary  to reach the convergence. So Table~\ref{tab:04}\r
725 shows the  results of  different executions with  different number of  cores and\r
726 different thresholds. As with the previous example, we can observe that TSIRM is\r
727 faster than  FGMRES. The ratio greatly  depends on the number  of iterations for\r
728 FMGRES to reach the threshold. The greater the number of iterations to reach the\r
729 convergence is, the  better the ratio between our algorithm  and FMGRES is. This\r
730 experiment is  also a  weak scaling with  approximately $25,000$  components per\r
731 core. It can also  be observed that the difference between CGLS  and LSQR is not\r
732 significant. Both can be good but it seems not possible to know in advance which\r
733 one will be the best.\r
734 \r
735 Table~\ref{tab:05} shows  a strong scaling  experiment with example ex54  on the\r
736 Curie  architecture. So,  in  this case,  the  number of  unknowns  is fixed  at\r
737 $204,919,225$ and the number of cores ranges from $512$ to $8192$ with the power\r
738 of two.  The  threshold is fixed at $5e-5$ and only  the $mg$ preconditioner has\r
739 been  tested. Here  again  we can  see that  TSIRM  is faster  than FGMRES.  The\r
740 efficiency of each algorithm is reported.  It can be noticed that the efficiency\r
741 of FGMRES is  better than the TSIRM  one except with $8,192$ cores  and that its\r
742 efficiency is  greater than one  whereas the efficiency  of TSIRM is  lower than\r
743 one.  Nevertheless,  the ratio  of TSIRM with  any version of  the least-squares\r
744 method is  always faster.  With $8,192$  cores when the number  of iterations is\r
745 far  more important  for  FGMRES,  we can  see  that it  is  only slightly  more\r
746 important for TSIRM.\r
747 \r
748 In Figure~\ref{fig:02}  we report  the number of  iterations per second  for the\r
749 experiments  reported in  Table~\ref{tab:05}.  This  figure highlights  that the\r
750 number of iterations  per second is more  or less the same for  FGMRES and TSIRM\r
751 with a little advantage for FGMRES. It  can be explained by the fact that, as we\r
752 have previously  explained, the  iterations of the  least-squares steps  are not\r
753 taken into account with TSIRM.\r
754 \r
755 \begin{table*}[htbp]\r
756 \begin{center}\r
757 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} \r
758 \hline\r
759 \r
760   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM LSQR} & best gain & \multicolumn{3}{c|}{efficiency} \\ \r
761 \cline{2-7} \cline{9-11}\r
762                     & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. &   & FGMRES & TS CGLS & TS LSQR\\\hline \hline\r
763    512              & 3,969.69 & 33,120 & 709.57 & 5,790  & 622.76 & 5,070  & 6.37  &   1    &    1    &     1     \\\r
764    1024             & 1,530.06  & 25,860 & 290.95 & 4,830  & 307.71 & 5,070 & 5.25  &  1.30  &    1.21  &   1.01     \\\r
765    2048             & 919.62    & 31,470 & 237.52 & 8,040  & 194.22 & 6,510 & 4.73  & 1.08   &    .75   &   .80\\\r
766    4096             & 405.60    & 28,380 & 111.67 & 7,590  & 91.72  & 6,510 & 4.42  & 1.22   &  .79     &   .84 \\\r
767    8192             & 785.04   & 109,590 & 76.07  & 10,470 & 69.42 & 9,030  & 11.30 &   .32  &   .58    &  .56 \\\r
768 \r
769 \hline\r
770 \r
771 \end{tabular}\r
772 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex54 of PETSc/KSP (both with the MG preconditioner) with 204,919,225 components on Curie with different number of cores ($\epsilon_{tsirm}=5e-5$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
773 \label{tab:05}\r
774 \end{center}\r
775 \end{table*}\r
776 \r
777 \begin{figure}[htbp]\r
778 \centering\r
779   \includegraphics[width=0.5\textwidth]{nb_iter_sec_ex54_curie}\r
780 \caption{Number of iterations per second with ex54 and the same parameters as in Table~\ref{tab:05} (strong scaling)}\r
781 \label{fig:02}\r
782 \end{figure}\r
783 \r
784 \r
785 Concerning the  experiments some  other remarks are  interesting.\r
786 \begin{itemize}\r
787 \item We have tested other examples  of PETSc/KSP (ex29, ex45, ex49).  For all these\r
788   examples,  we have also  obtained similar  gains between  GMRES and  TSIRM but\r
789   those  examples are  not scalable  with many  cores. In  general, we  had some\r
790   problems with more than $4,096$ cores.\r
791 \item We have tested many iterative  solvers available in PETSc.  In fact, it is\r
792   possible to use most of them with TSIRM. From our point of view, the condition\r
793   to  use  a  solver inside  TSIRM  is  that  the  solver  must have  a  restart\r
794   feature. More precisely,  the solver must support to  be stopped and restarted\r
795   without decreasing its convergence. That is  why with GMRES we stop it when it\r
796   is  naturally restarted (\emph{i.e.}   with $m$  the restart  parameter).  The\r
797   Conjugate Gradient (CG) and all its variants do not have ``restarted'' version\r
798   in PETSc,  so they are not efficient.   They will converge with  TSIRM but not\r
799   quickly because  if we  compare a  normal CG with  a CG  which is  stopped and\r
800   restarted every  16 iterations (for example),  the normal CG will  be far more\r
801   efficient.   Some  restarted  CG or  CG  variant  versions  exist and  may  be\r
802   interesting to study in future works.\r
803 \end{itemize}\r
804 %%%*********************************************************\r
805 %%%*********************************************************\r
806 \r
807 \r
808 %%NEW\r
809 \begin{table*}[htbp]\r
810 \begin{center}\r
811 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|} \r
812 \hline\r
813 \r
814   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/ASM} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS/ASM} & gain& \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/HYPRE}   \\ \r
815 \cline{2-5} \cline{7-8}\r
816                     & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. &        & Time  & \# Iter.   \\\hline \hline\r
817    512              & 5.54      & 685    & 2.5 &       570 & 2.21   & 128.9 & 9     \\\r
818    2048             & 14.95     & 1,560  &  4.32 &     746 & 3.48   & 335.7 & 9 \\\r
819    4096             & 25.13    & 2,369   & 5.61 &   859    & 4.48   & >1000  & -- \\\r
820    8192             & 44.35   & 3,197   &  7.6  &  1083    &  5.84  & >1000 &  --   \\\r
821 \r
822 \hline\r
823 \r
824 \end{tabular}\r
825 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex45 of PETSc/KSP with two preconditioner (ASM and HYPRE)  having 25,000 components per core on Curie ($\epsilon_{tsirm}=1e-10$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
826 \label{tab:06}\r
827 \end{center}\r
828 \end{table*}\r
829 \r
830 \r
831 \begin{figure}[htbp]\r
832 \centering\r
833   \includegraphics[width=0.5\textwidth]{nb_iter_sec_ex45_curie}\r
834 \caption{Number of iterations per second with ex45 and the same parameters as in Table~\ref{tab:06} (weak scaling)}\r
835 \label{fig:03}\r
836 \end{figure}\r
837 \r
838 \r
839 \r
840 \begin{table*}[htbp]\r
841 \begin{center}\r
842 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|} \r
843 \hline\r
844 \r
845   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/BJAC} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS/BJAC} & gain   \\ \r
846 \cline{2-5}\r
847                     & Time         & \# Iter.  & Time   & \# Iter.  &  \\\hline \hline\r
848    1024              & 667.92      & 48,732    & 81.65  &     5,087 &  8.18 \\\r
849    2048             & 966.87       & 77,177    &  90.34 &     5,716 &  10.70\\\r
850    4096             & 1,742.31     & 124,411   &  119.21 &   6,905  & 14.61\\\r
851    8192             & 2,739.21     & 187,626   &  168.9  &  9,000   & 16.22\\\r
852 \r
853 \hline\r
854 \r
855 \end{tabular}\r
856 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex20 of PETSc/SNES with a Block Jacobi  preconditioner  having 100,000 components per core on Curie ($\epsilon_{tsirm}=1e-10$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
857 \label{tab:07}\r
858 \end{center}\r
859 \end{table*}\r
860 \r
861 \begin{table*}[htbp]\r
862 \begin{center}\r
863 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|} \r
864 \hline\r
865 \r
866   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/BJAC} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS/BJAC} & gain  \\ \r
867 \cline{2-5}\r
868                     & Time         & \# Iter.  & Time   & \# Iter. &  \\\hline \hline\r
869    1024              & 159.52      & 11,584    &  26.34  &     1,563  &  6.06  \\\r
870    2048             & 226.24       & 16,459    &  37.23 &     2,248   &  6.08\\\r
871    4096             & 391.21     & 27,794   &  50.93 &   2,911  &  7.69\\\r
872    8192             & 543.23     & 37,770   &  79.21  &  4,324  & 6.86 \\\r
873 \r
874 \hline\r
875 \r
876 \end{tabular}\r
877 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex14 of PETSc/SNES with a Block Jacobi  preconditioner  having 100,000 components per core on Curie ($\epsilon_{tsirm}=1e-10$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
878 \label{tab:08}\r
879 \end{center}\r
880 \end{table*}\r
881 \r
882 \r
883 %%ENDNEW\r
884 \r
885 %%%*********************************************************\r
886 %%%*********************************************************\r
887 \section{Conclusion}\r
888 \label{sec:06}\r
889 %The conclusion goes here. this is more of the conclusion\r
890 %%%*********************************************************\r
891 %%%*********************************************************\r
892 \r
893 A new two-stage iterative  algorithm TSIRM has been proposed in this article,\r
894 in order to accelerate the convergence of Krylov iterative  methods.\r
895 Our TSIRM proposal acts as a merger between Krylov based solvers and\r
896 a least-squares minimization step.\r
897 The convergence of the method has been proven in some situations, while \r
898 experiments up to 16,394 cores have been led to verify that TSIRM runs\r
899 5 or  7 times  faster than GMRES.\r
900 \r
901 \r
902 For  future  work, the  authors'  intention is  to  investigate  other kinds  of\r
903 matrices, problems, and  inner solvers. In particular, the possibility \r
904 to obtain a convergence of TSIRM in situations where the GMRES is divergent will be\r
905 investigated. The influence of  all parameters must be\r
906 tested too, while other methods to minimize the residuals must be regarded.  The\r
907 number of outer  iterations to minimize should become  adaptive to improve the\r
908 overall performances of the proposal.   Finally, this solver will be implemented\r
909 inside PETSc, which would be of interest as it would  allows us to test\r
910 all the non-linear  examples and compare our algorithm  with the other algorithm\r
911 implemented in PETSc.\r
912 \r
913 \r
914 % conference papers do not normally have an appendix\r
915 \r
916 \r
917 \r
918 % use section* for acknowledgement\r
919 %%%*********************************************************\r
920 %%%*********************************************************\r
921 \section*{Acknowledgment}\r
922 This  paper  is   partially  funded  by  the  Labex   ACTION  program  (contract\r
923 ANR-11-LABX-01-01).  We  acknowledge PRACE for  awarding us access  to resources\r
924 Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.\r
925 \r
926 \r
927 \r
928 \r
929 \r
930 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%\r
931 \r
932 \bibliography{biblio}\r
933 \bibliographystyle{unsrt}\r
934 \bibliographystyle{alpha}\r
935 \r
936 \end{document}\r