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Private GIT Repository
4f1da9bb181cbd6d6eeeceed136bd45adc874f86
[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 \usepackage[utf8]{inputenc}
352 \usepackage[T1]{fontenc}
353 \usepackage{algorithm}
354 \usepackage{algpseudocode}
355 \usepackage{amsmath}
356 \usepackage{amssymb}
357 \usepackage{multirow}
358 \usepackage{graphicx}
359
360 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
361 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
362
363 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
364 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
365
366 \newtheorem{proposition}{Proposition}
367
368 \begin{document}
369 %
370 % paper title
371 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
372 \title{TSARM: A Two-Stage Algorithm with least-square Residual Minimization to solve large sparse linear systems}
373 %où
374 %\title{A two-stage algorithm with error minimization to solve large sparse linear systems}
375 %où
376 %\title{???}
377
378
379
380
381
382 % author names and affiliations
383 % use a multiple column layout for up to two different
384 % affiliations
385
386 \author{\IEEEauthorblockN{Rapha\"el Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Lilia Ziane Khodja \IEEEauthorrefmark{2}, and Christophe Guyeux\IEEEauthorrefmark{1}}
387 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1} Femto-ST Institute, University of Franche Comte, France\\
388 Email: \{raphael.couturier,christophe.guyeux\}@univ-fcomte.fr}
389 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2} INRIA Bordeaux Sud-Ouest, France\\
390 Email: lilia.ziane@inria.fr}
391 }
392
393
394
395 % conference papers do not typically use \thanks and this command
396 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
397 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
398 % after \documentclass
399
400 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
401 % of the page, use this alternative format:
402
403 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
404 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
405 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
406 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
407 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
408 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
409 %Georgia Institute of Technology,
410 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
411 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
412 %Email: homer@thesimpsons.com}
413 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
414 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
415 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
416
417
418
419
420 % use for special paper notices
421 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
422
423
424
425
426 % make the title area
427 \maketitle
428
429
430 \begin{abstract}
431 In  this article,  a  two-stage  iterative method is proposed to improve  the
432 convergence of Krylov based iterative ones,  typically those of GMRES variants. The
433 principle of  the proposed approach  is to  build an external  iteration over  the Krylov
434 method, and to  frequently store its current  residual   (at  each
435 GMRES restart for instance). After a given number of outer iterations, a minimization
436 step  is applied  on the  matrix composed by the  saved residuals,  in  order to
437 compute a better solution while making  new iterations if required.  It is proven that
438 the proposal has  the same convergence properties than the  inner embedded method itself. 
439 Experiments using up  to 16,394 cores also show that the proposed algorithm
440 run around 7 times faster than GMRES.
441 \end{abstract}
442
443 \begin{IEEEkeywords}
444 Iterative Krylov methods; sparse linear systems; residual minimization; PETSc; %à voir... 
445 \end{IEEEkeywords}
446
447
448 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
449 % page as needed:
450 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
451 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
452 % \fi
453 %
454 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
455 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
456 \IEEEpeerreviewmaketitle
457
458
459
460
461 % An example of a floating figure using the graphicx package.
462 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
463 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
464 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
465 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
466 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
467 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
468 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
469 %
470 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
471 % option should be used if it is desired that the figures are to be
472 % displayed while in draft mode.
473 %
474 %\begin{figure}[!t]
475 %\centering
476 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
477 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
478 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
479 % via \DeclareGraphicsExtensions.
480 %\caption{Simulation Results}
481 %\label{fig_sim}
482 %\end{figure}
483
484 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
485 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
486
487
488 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
489 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
490 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
491 % \label for the overall figure must come after \caption.
492 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
493 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
494 % used instead of \subfloat.
495 %
496 %\begin{figure*}[!t]
497 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
498 %\label{fig_first_case}}
499 %\hfil
500 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
501 %\label{fig_second_case}}}
502 %\caption{Simulation results}
503 %\label{fig_sim}
504 %\end{figure*}
505 %
506 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
507 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
508 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
509
510
511 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
512 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
513 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
514 % The \label must come after \caption as always.
515 %
516 %\begin{table}[!t]
517 %% increase table row spacing, adjust to taste
518 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
519 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
520 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
521 %\caption{An Example of a Table}
522 %\label{table_example}
523 %\centering
524 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
525 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
526 %\begin{tabular}{|c||c|}
527 %\hline
528 %One & Two\\
529 %\hline
530 %Three & Four\\
531 %\hline
532 %\end{tabular}
533 %\end{table}
534
535
536 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
537 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
538 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
539 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
540 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
541 % command of the stfloats package.
542
543
544
545 %%%*********************************************************
546 %%%*********************************************************
547 \section{Introduction}
548 % no \IEEEPARstart
549 % You must have at least 2 lines in the paragraph with the drop letter
550 % (should never be an issue)
551
552 Iterative methods have recently become more attractive than  direct ones to  solve very large
553 sparse  linear systems.  They are more  efficient  in a  parallel
554 context,  supporting  thousands  of  cores,  and they require  less  memory  and  arithmetic
555 operations than direct  methods. This is why new iterative  methods are frequently 
556 proposed or adapted by researchers, and the increasing need to solve very large sparse
557 linear  systems  has triggered the  development  of such efficient iterative  techniques
558 suitable for parallel processing.
559
560 Most of the successful iterative methods currently available are based on so-called ``Krylov
561 subspaces''. They  consist in forming a  basis of successive matrix
562 powers multiplied by an initial vector, which can be for instance the residual. These methods use vectors orthogonality of the Krylov  subspace  basis in order to solve  linear
563 systems.  The  most known iterative  Krylov subspace methods  are conjugate
564 gradient and GMRES ones (Generalized Minimal RESidual).
565
566
567 However,  iterative  methods suffer  from scalability  problems  on parallel
568 computing  platforms  with many  processors, due  to  their need  of  reduction
569 operations, and to  collective    communications   to  achive   matrix-vector
570 multiplications. The  communications on large  clusters with thousands  of cores
571 and  large  sizes of  messages  can  significantly  affect the  performances  of these
572 iterative methods. As a consequence, Krylov subspace iteration methods are often used
573 with preconditioners in practice, to increase their convergence and accelerate their
574 performances.  However, most  of the  good preconditioners  are not  scalable on
575 large clusters.
576
577 In this research work, a two-stage algorithm based on  two nested iterations
578 called inner-outer  iterations is proposed.  This algorithm  consists in solving  the sparse
579 linear system iteratively  with a small number of  inner iterations, and restarting
580 the outer  step with a  new solution minimizing  some error functions  over some
581 previous residuals. This algorithm is iterative and easy to parallelize on large
582 clusters. Furthermore,  the   minimization  technique   improves  its   convergence  and
583 performances.
584
585 The present  article is  organized as follows.   Related works are  presented in
586 Section~\ref{sec:02}. Section~\ref{sec:03} details the two-stage algorithm using
587 a  least-square  residual   minimization,  while  Section~\ref{sec:04}  provides
588 convergence  results  regarding this  method.   Section~\ref{sec:05} shows  some
589 experimental  results  obtained  on  large  clusters  using  routines  of  PETSc
590 toolkit. This research work ends by  a conclusion section, in which the proposal
591 is summarized while intended perspectives are provided.
592
593 %%%*********************************************************
594 %%%*********************************************************
595
596
597
598 %%%*********************************************************
599 %%%*********************************************************
600 \section{Related works}
601 \label{sec:02} 
602 %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.
603 %%%*********************************************************
604 %%%*********************************************************
605
606
607
608 %%%*********************************************************
609 %%%*********************************************************
610 \section{Two-stage algorithm with least-square residuals minimization}
611 \label{sec:03}
612 A two-stage algorithm is proposed  to solve large  sparse linear systems  of the
613 form  $Ax=b$,  where  $A\in\mathbb{R}^{n\times   n}$  is  a  sparse  and  square
614 nonsingular   matrix,   $x\in\mathbb{R}^n$    is   the   solution   vector,   and
615 $b\in\mathbb{R}^n$ is  the right-hand side.  As explained previously, 
616 the algorithm is implemented  as an
617 inner-outer iteration  solver based  on iterative Krylov  methods. The  main 
618 key-points of the proposed solver are given in Algorithm~\ref{algo:01}.
619 It can be summarized as follows: the
620 inner solver is a Krylov based one. In order to accelerate its convergence, the 
621 outer solver periodically applies a least-square minimization  on the residuals computed by  the inner one. %Tsolver which does not required to be changed.
622
623 At each outer iteration, the sparse linear system $Ax=b$ is partially 
624 solved using only $m$
625 iterations of an iterative method, this latter being initialized with the 
626 best known approximation previously obtained. 
627 GMRES method~\cite{Saad86}, or any of its variants, can be used for instance as an
628 inner solver. The current approximation of the Krylov method is then stored inside a matrix
629 $S$ composed by the successive solutions that are computed during inner iterations.
630
631 At each $s$ iterations, the minimization step is applied in order to
632 compute a new  solution $x$. For that, the previous  residuals are computed with
633 $(b-AS)$. The minimization of the residuals is obtained by 
634 \begin{equation}
635    \underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2
636 \label{eq:01}
637 \end{equation}
638 with $R=AS$. Then the new solution $x$ is computed with $x=S\alpha$.
639
640
641 In  practice, $R$  is a  dense rectangular  matrix belonging in  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
642 with $s\ll n$.   In order  to minimize~(\eqref{eq:01}), a  least-square method  such as
643 CGLS ~\cite{Hestenes52}  or LSQR~\cite{Paige82} is used. Remark that these  methods are more
644 appropriate than a single direct method in a parallel context.
645
646
647
648 \begin{algorithm}[t]
649 \caption{TSARM}
650 \begin{algorithmic}[1]
651   \Input $A$ (sparse matrix), $b$ (right-hand side)
652   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
653   \State Set the initial guess $x^0$
654   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence (error$<\epsilon_{tsarm}$)} \label{algo:conv}
655     \State  $x^k=Solve(A,b,x^{k-1},max\_iter_{kryl})$   \label{algo:solve}
656     \State retrieve error
657     \State $S_{k \mod s}=x^k$ \label{algo:store}
658     \If {$k \mod s=0$ {\bf and} error$>\epsilon_{kryl}$}
659       \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix} \label{algo:matrix_mul}
660             \State Solve least-square problem $\underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2$ \label{algo:}
661       \State $x^k=S\alpha$  \Comment{compute new solution}
662     \EndIf
663   \EndFor
664 \end{algorithmic}
665 \label{algo:01}
666 \end{algorithm}
667
668 Algorithm~\ref{algo:01}  summarizes  the principle  of  our  method.  The  outer
669 iteration is  inside the for  loop. Line~\ref{algo:solve}, the Krylov  method is
670 called for a  maximum of $max\_iter_{kryl}$ iterations.  In practice, we  suggest to set this parameter
671 equals to  the restart  number of the  GMRES-like method. Moreover,  a tolerance
672 threshold must be specified for the  solver. In practice, this threshold must be
673 much  smaller  than the  convergence  threshold  of  the TSARM  algorithm  (\emph{i.e.}
674 $\epsilon_{tsarm}$).  Line~\ref{algo:store}, $S_{k~ mod~ s}=x^k$ consists in copying the
675 solution  $x_k$  into the  column  $k~  mod~ s$ of  the  matrix  $S$. After  the
676 minimization, the matrix $S$ is reused with the new values of the residuals.  To
677 solve the minimization problem, an  iterative method is used. Two parameters are
678 required for that: the maximum number of iteration and the threshold to stop the
679 method.
680
681 Let us summarize the most important parameters of TSARM:
682 \begin{itemize}
683 \item $\epsilon_{tsarm}$: the threshold to stop the TSARM method;
684 \item $max\_iter_{kryl}$: the maximum number of iterations for the Krylov method;
685 \item $s$: the number of outer iterations before applying the minimization step;
686 \item $max\_iter_{ls}$: the maximum number of iterations for the iterative least-square method;
687 \item $\epsilon_{ls}$: the threshold used to stop the least-square method.
688 \end{itemize}
689
690
691 The  parallelisation  of  TSARM  relies   on  the  parallelization  of  all  its
692 parts. More  precisely, except  the least-square step,  all the other  parts are
693 obvious to  achieve out in parallel. In  order to develop a  parallel version of
694 our   code,   we   have   chosen  to   use   PETSc~\cite{petsc-web-page}.    For
695 line~\ref{algo:matrix_mul} the  matrix-matrix multiplication is  implemented and
696 efficient since the  matrix $A$ is sparse and since the  matrix $S$ contains few
697 colums in  practice. As explained  previously, at least  two methods seem  to be
698 interesting to solve the least-square minimization, CGLS and LSQR.
699
700 In the following  we remind the CGLS algorithm. The LSQR  method follows more or
701 less the same principle but it take more place, so we briefly explain the parallelization of CGLS which is similar to LSQR.
702
703 \begin{algorithm}[t]
704 \caption{CGLS}
705 \begin{algorithmic}[1]
706   \Input $A$ (matrix), $b$ (right-hand side)
707   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
708   \State $r=b-Ax$
709   \State $p=A'r$
710   \State $s=p$
711   \State $g=||s||^2_2$
712   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence (g$<\epsilon_{ls}$)} \label{algo2:conv}
713     \State $q=Ap$
714     \State $\alpha=g/||q||^2_2$
715     \State $x=x+alpha*p$
716     \State $r=r-alpha*q$
717     \State $s=A'*r$
718     \State $g_{old}=g$
719     \State $g=||s||^2_2$
720     \State $\beta=g/g_{old}$
721   \EndFor
722 \end{algorithmic}
723 \label{algo:02}
724 \end{algorithm}
725
726
727 In each iteration  of CGLS, there is two  matrix-vector multiplications and some
728 classical operations:  dots, norm, multiplication  and addition on  vectors. All
729 these operations are easy to implement in PETSc or similar environment.
730
731
732
733 %%%*********************************************************
734 %%%*********************************************************
735
736 \section{Convergence results}
737 \label{sec:04}
738 Let us recall the following result, see~\cite{Saad86}.
739 \begin{proposition}
740 Suppose that $A$ is a positive real matrix with symmetric part $M$. Then the residual norm provided at the $m$-th step of GMRES satisfies:
741 \begin{equation}
742 ||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_0|| ,
743 \end{equation}
744 where $\alpha = \lambda_min(M)^2$ and $\beta = \lambda_max(A^T A)$, which proves 
745 the convergence of GMRES($m$) for all $m$ under that assumption regarding $A$.
746 \end{proposition}
747
748
749
750 %%%*********************************************************
751 %%%*********************************************************
752 \section{Experiments using PETSc}
753 \label{sec:05}
754
755
756 In order to see the influence of our algorithm with only one processor, we first
757 show  a comparison  with the  standard version  of GMRES  and our  algorithm. In
758 Table~\ref{tab:01},  we  show  the  matrices  we  have used  and  some  of  them
759 characteristics. For all  the matrices, the name, the field,  the number of rows
760 and the number of nonzero elements is given.
761
762 \begin{table*}
763 \begin{center}
764 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|} 
765 \hline
766 Matrix name              & Field             &\# Rows   & \# Nonzeros   \\\hline \hline
767 crashbasis         & Optimization      & 160,000  &  1,750,416  \\
768 parabolic\_fem     & Computational fluid dynamics  & 525,825 & 2,100,225 \\
769 epb3               & Thermal problem   & 84,617  & 463,625  \\
770 atmosmodj          & Computational fluid dynamics  & 1,270,432 & 8,814,880 \\
771 bfwa398            & Electromagnetics problem & 398 & 3,678 \\
772 torso3             & 2D/3D problem & 259,156 & 4,429,042 \\
773 \hline
774
775 \end{tabular}
776 \caption{Main characteristics of the sparse matrices chosen from the Davis collection}
777 \label{tab:01}
778 \end{center}
779 \end{table*}
780
781 The following  parameters have been chosen  for our experiments.   As by default
782 the restart  of GMRES is performed every  30 iterations, we have  chosen to stop
783 the GMRES every 30 iterations, $max\_iter_{kryl}=30$).  $s$ is set to 8. CGLS is
784 chosen  to minimize  the least-squares  problem with  the  following parameters:
785 $\epsilon_{ls}=1e-40$ and $max\_iter_{ls}=20$.  The external precision is set to
786 $\epsilon_{tsarm}=1e-10$.  Those  experiments have been performed  on a Intel(R)
787 Core(TM) i7-3630QM CPU @ 2.40GHz with the version 3.5.1 of PETSc.
788
789
790 In  Table~\ref{tab:02}, some  experiments comparing  the solving  of  the linear
791 systems obtained with the previous matrices  with a GMRES variant and with out 2
792 stage algorithm are  given. In the second column, it can  be noticed that either
793 gmres or fgmres is used to  solve the linear system.  According to the matrices,
794 different  preconditioner is used.   With TSARM,  the same  solver and  the same
795 preconditionner is used.  This Table shows that TSARM can drastically reduce the
796 number of iterations to reach the  convergence when the number of iterations for
797 the normal GMRES is more or less  greater than 500. In fact this also depends on
798 tow  parameters: the  number  of iterations  to  stop GMRES  and  the number  of
799 iterations to perform the minimization.
800
801
802 \begin{table}
803 \begin{center}
804 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|r|} 
805 \hline
806
807  \multirow{2}{*}{Matrix name}  & Solver /   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} \\ 
808 \cline{3-6}
809        &  precond             & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter.  \\\hline \hline
810
811 crashbasis         & gmres / none             &  15.65     & 518  &  14.12 & 450  \\
812 parabolic\_fem     & gmres / ilu           & 1009.94   & 7573 & 401.52 & 2970 \\
813 epb3               & fgmres / sor             &  8.67     & 600  &  8.21 & 540  \\
814 atmosmodj          &  fgmres / sor & 104.23  & 451 & 88.97 & 366  \\
815 bfwa398            & gmres / none  & 1.42 & 9612 & 0.28 & 1650 \\
816 torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\
817 \hline
818
819 \end{tabular}
820 \caption{Comparison of (F)GMRES and 2 stage (F)GMRES algorithms in sequential with some matrices, time is expressed in seconds.}
821 \label{tab:02}
822 \end{center}
823 \end{table}
824
825
826
827
828
829 In order to perform larger  experiments, we have tested some example application
830 of PETSc. Those  applications are available in the ksp part  which is suited for
831 scalable linear equations solvers:
832 \begin{itemize}
833 \item ex15  is an example  which solves in  parallel an operator using  a finite
834   difference  scheme.   The  diagonal  is  equals to  4  and  4  extra-diagonals
835   representing the neighbors in each directions  is equal to -1. This example is
836   used  in many  physical phenomena, for  example, heat  and fluid  flow, wave
837   propagation...
838 \item ex54 is another example based on 2D problem discretized with quadrilateral
839   finite elements. For this example, the user can define the scaling of material
840   coefficient in embedded circle, it is called $\alpha$.
841 \end{itemize}
842 For more technical details on  these applications, interested reader are invited
843 to  read the  codes available  in the  PETSc sources.   Those problem  have been
844 chosen because they  are scalable with many cores. We  have tested other problem
845 but they are not scalable with many cores.
846
847 In the following larger experiments are described on two large scale architectures: Curie and Juqeen... {\bf description...}\\
848
849
850 {\bf Description of preconditioners}
851
852 \begin{table*}
853 \begin{center}
854 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
855 \hline
856
857   nb. cores & precond   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain \\ 
858 \cline{3-8}
859              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
860   2,048      & mg                    & 403.49   & 18,210    & 73.89  & 3,060   & 77.84  & 3,270  & 5.46 \\
861   2,048      & sor                   & 745.37   & 57,060    & 87.31  & 6,150   & 104.21 & 7,230  & 8.53 \\
862   4,096      & mg                    & 562.25   & 25,170    & 97.23  & 3,990   & 89.71  & 3,630  & 6.27 \\
863   4,096      & sor                   & 912.12   & 70,194    & 145.57 & 9,750   & 168.97 & 10,980 & 6.26 \\
864   8,192      & mg                    & 917.02   & 40,290    & 148.81 & 5,730   & 143.03 & 5,280  & 6.41 \\
865   8,192      & sor                   & 1,404.53 & 106,530   & 212.55 & 12,990  & 180.97 & 10,470 & 7.76 \\
866   16,384     & mg                    & 1,430.56 & 63,930    & 237.17 & 8,310   & 244.26 & 7,950  & 6.03 \\
867   16,384     & sor                   & 2,852.14 & 216,240   & 418.46 & 21,690  & 505.26 & 23,970 & 6.82 \\
868 \hline
869
870 \end{tabular}
871 \caption{Comparison of FGMRES and TSARM with FGMRES for example ex15 of PETSc with two preconditioner (mg and sor) with 25,000 components per core on Juqueen (threshold 1e-3, restart=30, s=12),  time is expressed in seconds.}
872 \label{tab:03}
873 \end{center}
874 \end{table*}
875
876 Table~\ref{tab:03} shows  the execution  times and the  number of  iterations of
877 example ex15  of PETSc on the  Juqueen architecture. Differents  number of cores
878 are  studied rangin  from  2,048  upto 16,383.   Two  preconditioners have  been
879 tested.   For those experiments,  the number  of components  (or unknown  of the
880 problems)  per processor is  fixed to  25,000. This  number can  seem relatively
881 small. In fact, for  some applications that need a lot of  memory, the number of
882 components per processor requires sometimes to be small.
883
884 In this Table, we  can notice that TSARM is always faster  than FGMRES. The last
885 column shows the ratio between FGMRES and the best version of TSARM according to
886 the minimization procedure: CGLS or LSQR.
887
888
889 \begin{figure}
890 \centering
891   \includegraphics[width=0.45\textwidth]{nb_iter_sec_ex15_juqueen}
892 \caption{Number of iterations per second with ex15 and the same parameters than in Table~\ref{tab:03}}
893 \label{fig:01}
894 \end{figure}
895
896
897
898
899
900 \begin{table*}
901 \begin{center}
902 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
903 \hline
904
905   nb. cores & threshold   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain \\ 
906 \cline{3-8}
907              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
908   2,048      & 8e-5                  & 108.88 & 16,560  & 23.06  &  3,630  & 22.79  & 3,630   & 4.77 \\
909   2,048      & 6e-5                  & 194.01 & 30,270  & 35.50  &  5,430  & 27.74  & 4,350   & 6.99 \\
910   4,096      & 7e-5                  & 160.59 & 22,530  & 35.15  &  5,130  & 29.21  & 4,350   & 5.49 \\
911   4,096      & 6e-5                  & 249.27 & 35,520  & 52.13  &  7,950  & 39.24  & 5,790   & 6.35 \\
912   8,192      & 6e-5                  & 149.54 & 17,280  & 28.68  &  3,810  & 29.05  & 3,990  & 5.21 \\
913   8,192      & 5e-5                  & 785.04 & 109,590 & 76.07  &  10,470  & 69.42 & 9,030  & 11.30 \\
914   16,384     & 4e-5                  & 718.61 & 86,400 & 98.98  &  10,830  & 131.86  & 14,790  & 7.26 \\
915 \hline
916
917 \end{tabular}
918 \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.}
919 \label{tab:04}
920 \end{center}
921 \end{table*}
922
923
924
925
926
927 \begin{table*}
928 \begin{center}
929 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
930 \hline
931
932   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain & \multicolumn{3}{c|}{efficiency} \\ 
933 \cline{2-7} \cline{9-11}
934                     & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. &   & GMRES & TS CGLS & TS LSQR\\\hline \hline
935    512              & 3,969.69 & 33,120 & 709.57 & 5,790  & 622.76 & 5,070  & 6.37  &   1    &    1    &     1     \\
936    1024             & 1,530.06  & 25,860 & 290.95 & 4,830  & 307.71 & 5,070 & 5.25  &  1.30  &    1.21  &   1.01     \\
937    2048             & 919.62    & 31,470 & 237.52 & 8,040  & 194.22 & 6,510 & 4.73  & 1.08   &    .75   &   .80\\
938    4096             & 405.60    & 28,380 & 111.67 & 7,590  & 91.72  & 6,510 & 4.42  & 1.22   &  .79     &   .84 \\
939    8192             & 785.04   & 109,590 & 76.07  & 10,470 & 69.42 & 9,030  & 11.30 &   .32  &   .58    &  .56 \\
940
941 \hline
942
943 \end{tabular}
944 \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.}
945 \label{tab:05}
946 \end{center}
947 \end{table*}
948
949 %%%*********************************************************
950 %%%*********************************************************
951
952
953
954 %%%*********************************************************
955 %%%*********************************************************
956 \section{Conclusion}
957 \label{sec:06}
958 %The conclusion goes here. this is more of the conclusion
959 %%%*********************************************************
960 %%%*********************************************************
961
962
963 future plan : \\
964 - study other kinds of matrices, problems, inner solvers\\
965 - test the influence of all the parameters\\
966 - adaptative number of outer iterations to minimize\\
967 - other methods to minimize the residuals?\\
968 - implement our solver inside PETSc
969
970
971 % conference papers do not normally have an appendix
972
973
974
975 % use section* for acknowledgement
976 %%%*********************************************************
977 %%%*********************************************************
978 \section*{Acknowledgment}
979 This  paper  is   partially  funded  by  the  Labex   ACTION  program  (contract
980 ANR-11-LABX-01-01).   We acknowledge PRACE  for awarding  us access  to resource
981 Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
982
983
984
985 % trigger a \newpage just before the given reference
986 % number - used to balance the columns on the last page
987 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
988 % the document is modified later
989 %\IEEEtriggeratref{8}
990 % The "triggered" command can be changed if desired:
991 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
992
993 % references section
994
995 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
996 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
997 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
998 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
999 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1000 \bibliographystyle{IEEEtran}
1001 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1002 \bibliography{biblio}
1003 %
1004 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1005 % set second argument of \begin to the number of references
1006 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1007 %% \begin{thebibliography}{1}
1008
1009 %% \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.
1010
1011 %% \bibitem{saad96} Y.~Saad, \emph{Iterative Methods for Sparse Linear Systems}, PWS Publishing, New York, 1996.
1012
1013 %% \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.
1014
1015 %% \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.
1016 %% \end{thebibliography}
1017
1018
1019
1020
1021 % that's all folks
1022 \end{document}
1023
1024