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Private GIT Repository
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[GMRES2stage.git] / paper.tex
1
2 %% bare_conf.tex
3 %% V1.3
4 %% 2007/01/11
5 %% by Michael Shell
6 %% See:
7 %% http://www.michaelshell.org/
8 %% for current contact information.
9 %%
10 %% This is a skeleton file demonstrating the use of IEEEtran.cls
11 %% (requires IEEEtran.cls version 1.7 or later) with an IEEE conference paper.
12 %%
13 %% Support sites:
14 %% http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/
15 %% http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/IEEEtran/
16 %% and
17 %% http://www.ieee.org/
18
19 %%*************************************************************************
20 %% Legal Notice:
21 %% This code is offered as-is without any warranty either expressed or
22 %% implied; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
23 %% FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE! 
24 %% User assumes all risk.
25 %% In no event shall IEEE or any contributor to this code be liable for
26 %% any damages or losses, including, but not limited to, incidental,
27 %% consequential, or any other damages, resulting from the use or misuse
28 %% of any information contained here.
29 %%
30 %% All comments are the opinions of their respective authors and are not
31 %% necessarily endorsed by the IEEE.
32 %%
33 %% This work is distributed under the LaTeX Project Public License (LPPL)
34 %% ( http://www.latex-project.org/ ) version 1.3, and may be freely used,
35 %% distributed and modified. A copy of the LPPL, version 1.3, is included
36 %% in the base LaTeX documentation of all distributions of LaTeX released
37 %% 2003/12/01 or later.
38 %% Retain all contribution notices and credits.
39 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
40 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
41 %%
42 %% File list of work: IEEEtran.cls, IEEEtran_HOWTO.pdf, bare_adv.tex,
43 %%                    bare_conf.tex, bare_jrnl.tex, bare_jrnl_compsoc.tex
44 %%*************************************************************************
45
46 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
47 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
48 % *** with production work. IEEE's font choices can trigger bugs that do  ***
49 % *** not appear when using other class files.                            ***
50 % The testflow support page is at:
51 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
52
53
54
55 % Note that the a4paper option is mainly intended so that authors in
56 % countries using A4 can easily print to A4 and see how their papers will
57 % look in print - the typesetting of the document will not typically be
58 % affected with changes in paper size (but the bottom and side margins will).
59 % Use the testflow package mentioned above to verify correct handling of
60 % both paper sizes by the user's LaTeX system.
61 %
62 % Also note that the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", option
63 % should be used if it is desired that the figures are to be displayed in
64 % draft mode.
65 %
66 \documentclass[10pt, conference, compsocconf]{IEEEtran}
67 % Add the compsocconf option for Computer Society conferences.
68 %
69 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
70 % manually specify the path to it like:
71 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
72
73
74
75
76
77 % Some very useful LaTeX packages include:
78 % (uncomment the ones you want to load)
79
80
81 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
82 %
83 %\usepackage{ifpdf}
84 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
85 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
86 % usage:
87 % \ifpdf
88 %   % pdf code
89 % \else
90 %   % dvi code
91 % \fi
92 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
93 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
94 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
95 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
96 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
97 % have to be run twice to clear warning/error messages.
98
99
100
101
102
103
104 % *** CITATION PACKAGES ***
105 %
106 %\usepackage{cite}
107 % cite.sty was written by Donald Arseneau
108 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
109 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
110 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
111 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
112 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
113 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
114 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
115 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
116 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
117 % not currently provide for hyperlinked citations.
118 % The latest version can be obtained at:
119 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
120 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
121
122
123
124
125
126
127 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
128 %
129 \ifCLASSINFOpdf
130   % \usepackage[pdftex]{graphicx}
131   % declare the path(s) where your graphic files are
132   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
133   % and their extensions so you won't have to specify these with
134   % every instance of \includegraphics
135   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
136 \else
137   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
138   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
139   % driver is specified.
140   % \usepackage[dvips]{graphicx}
141   % declare the path(s) where your graphic files are
142   % \graphicspath{{../eps/}}
143   % and their extensions so you won't have to specify these with
144   % every instance of \includegraphics
145   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
146 \fi
147 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
148 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
149 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
150 % be obtained at: 
151 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
152 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
153 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
154 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
155 %
156 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
157 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
158 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
159 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
160 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
161 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
162 % well as large increases in file sizes.
163 %
164 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
165 % http://www.tug.org/applications/pdftex
166
167
168
169
170
171 % *** MATH PACKAGES ***
172 %
173 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
174 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
175 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
176 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
177 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
178 % it is possible that some math symbols, particularly those within
179 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
180 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
181 %
182 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
183 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
184 %\interdisplaylinepenalty=2500
185 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
186 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
187 % version and documentation can be obtained at:
188 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
189
190
191
192
193
194 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
195 %
196 %\usepackage{algorithmic}
197 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
198 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
199 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
200 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
201 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
202 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
203 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
204 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
205 % algorithmic.sty can be obtained at:
206 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
207 % There is also a support site at:
208 % http://algorithms.berlios.de/index.html
209 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
210 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
211 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
212
213
214
215
216 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
217 %
218 %\usepackage{array}
219 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
220 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
221 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
222 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
223 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
224 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
225 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
226 % latest version and documentation can be obtained at:
227 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
228
229
230 %\usepackage{mdwmath}
231 %\usepackage{mdwtab}
232 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
233 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
234 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
235 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
236 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
237
238
239 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
240 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
241 % quality.
242
243
244 %\usepackage{eqparbox}
245 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
246 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
247 % Available at:
248 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
249
250
251
252
253
254 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
255 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
256 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
257 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
258 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
259 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
260 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
261 % be obtained at:
262 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
263 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
264
265
266
267 %\usepackage[caption=false]{caption}
268 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
269 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
270 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
271 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
272 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
273 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
274 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
275 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
276 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
277 % the caption=false option directly:
278 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
279 %
280 % The latest version and documentation can be obtained at:
281 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
282 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
283 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
284
285
286
287
288 % *** FLOAT PACKAGES ***
289 %
290 %\usepackage{fixltx2e}
291 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
292 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
293 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
294 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
295 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
296 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
297 % figure. The latest version and documentation can be found at:
298 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
299
300
301
302 %\usepackage{stfloats}
303 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
304 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
305 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
306 % LaTeX2e). It also provides a command:
307 %\fnbelowfloat
308 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
309 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
310 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
311 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
312 % version and documentation can be obtained at:
313 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
314 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
315 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
316 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
317 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
318 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
319 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
320 % not format its papers in such ways.
321
322
323
324
325
326 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
327 %
328 %\usepackage{url}
329 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
330 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
331 % systems. The latest version can be obtained at:
332 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
333 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
334 % \url{my_url_here}.
335
336
337
338
339
340 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
341 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
342 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
343 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
344 % to submit to, of course. )
345
346
347 % correct bad hyphenation here
348 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
349
350
351
352 \usepackage{algorithm}
353 \usepackage{algpseudocode}
354 \usepackage{amsmath}
355 \usepackage{amssymb}
356 \usepackage{multirow}
357 \usepackage{graphicx}
358
359 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
360 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
361
362 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
363 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
364
365
366
367 \begin{document}
368 %
369 % paper title
370 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
371 \title{TSARM: A Two-Stage Algorithm with least-square Residual Minimization to solve large sparse linear systems}
372 %où
373 %\title{A two-stage algorithm with error minimization to solve large sparse linear systems}
374 %où
375 %\title{???}
376
377
378
379
380
381 % author names and affiliations
382 % use a multiple column layout for up to two different
383 % affiliations
384
385 \author{\IEEEauthorblockN{Rapha\"el Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Lilia Ziane Khodja \IEEEauthorrefmark{2} and Christophe Guyeux\IEEEauthorrefmark{1}}
386 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1} Femto-ST Institute, University of Franche Comte, France\\
387 Email: \{raphael.couturier,christophe.guyeux\}@univ-fcomte.fr}
388 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2} INRIA Bordeaux Sud-Ouest, France\\
389 Email: lilia.ziane@inria.fr}
390 }
391
392
393
394 % conference papers do not typically use \thanks and this command
395 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
396 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
397 % after \documentclass
398
399 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
400 % of the page, use this alternative format:
401
402 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
403 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
404 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
405 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
406 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
407 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
408 %Georgia Institute of Technology,
409 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
410 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
411 %Email: homer@thesimpsons.com}
412 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
413 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
414 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
415
416
417
418
419 % use for special paper notices
420 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
421
422
423
424
425 % make the title area
426 \maketitle
427
428
429 \begin{abstract}
430 In  this paper  we propose  a  two stage  iterative method  which increases  the
431 convergence of Krylov iterative methods,  typically those of GMRES variants. The
432 principle of  our approach  is to  build an external  iteration over  the Krylov
433 method  and to  save  the current  residual  frequently (for  example, for  each
434 restart of GMRES). Then after a given number of outer iterations, a minimization
435 step  is applied  on the  matrix composed  of the  saved residuals  in  order to
436 compute a better solution and make  a new iteration if necessary.  We prove that
437 our method has  the same convergence property than the  inner method used.  Some
438 experiments using up  to 16,394 cores show that compared  to GMRES our algorithm
439 can be around 7 times faster.
440 \end{abstract}
441
442 \begin{IEEEkeywords}
443 Iterative Krylov methods; sparse linear systems; residual minimization; PETSc; %à voir... 
444 \end{IEEEkeywords}
445
446
447 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
448 % page as needed:
449 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
450 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
451 % \fi
452 %
453 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
454 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
455 \IEEEpeerreviewmaketitle
456
457
458
459
460 % An example of a floating figure using the graphicx package.
461 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
462 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
463 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
464 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
465 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
466 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
467 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
468 %
469 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
470 % option should be used if it is desired that the figures are to be
471 % displayed while in draft mode.
472 %
473 %\begin{figure}[!t]
474 %\centering
475 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
476 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
477 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
478 % via \DeclareGraphicsExtensions.
479 %\caption{Simulation Results}
480 %\label{fig_sim}
481 %\end{figure}
482
483 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
484 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
485
486
487 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
488 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
489 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
490 % \label for the overall figure must come after \caption.
491 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
492 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
493 % used instead of \subfloat.
494 %
495 %\begin{figure*}[!t]
496 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
497 %\label{fig_first_case}}
498 %\hfil
499 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
500 %\label{fig_second_case}}}
501 %\caption{Simulation results}
502 %\label{fig_sim}
503 %\end{figure*}
504 %
505 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
506 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
507 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
508
509
510 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
511 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
512 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
513 % The \label must come after \caption as always.
514 %
515 %\begin{table}[!t]
516 %% increase table row spacing, adjust to taste
517 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
518 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
519 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
520 %\caption{An Example of a Table}
521 %\label{table_example}
522 %\centering
523 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
524 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
525 %\begin{tabular}{|c||c|}
526 %\hline
527 %One & Two\\
528 %\hline
529 %Three & Four\\
530 %\hline
531 %\end{tabular}
532 %\end{table}
533
534
535 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
536 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
537 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
538 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
539 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
540 % command of the stfloats package.
541
542
543
544 %%%*********************************************************
545 %%%*********************************************************
546 \section{Introduction}
547 % no \IEEEPARstart
548 % You must have at least 2 lines in the paragraph with the drop letter
549 % (should never be an issue)
550
551 Iterative methods  became more attractive than  direct ones to  solve very large
552 sparse  linear systems.  Iterative  methods  are more  effecient  in a  parallel
553 context,  with  thousands  of  cores,  and  require  less  memory  and  arithmetic
554 operations than direct  methods. A number of iterative  methods are proposed and
555 adapted by many researchers and the increased need for solving very large sparse
556 linear  systems  triggered the  development  of  efficient iterative  techniques
557 suitable for the parallel processing.
558
559 Most of the successful iterative methods currently available are based on Krylov
560 subspaces which  consist in forming a  basis of a sequence  of successive matrix
561 powers times an initial vector for example the residual. These methods are based
562 on  orthogonality  of vectors  of  the Krylov  subspace  basis  to solve  linear
563 systems.  The  most well-known iterative  Krylov subspace methods  are Conjugate
564 Gradient method and GMRES method (generalized minimal residual).
565
566 However,  iterative  methods suffer  from scalability  problems  on parallel
567 computing  platforms  with many  processors  due  to  their need  for  reduction
568 operations    and   collective    communications   to    perform   matrix-vector
569 multiplications. The  communications on large  clusters with thousands  of cores
570 and  large  sizes of  messages  can  significantly  affect the  performances  of
571 iterative methods. In practice, Krylov subspace iteration methods are often used
572 with preconditioners in order to increase their convergence and accelerate their
573 performances.  However, most  of the  good preconditioners  are not  scalable on
574 large clusters.
575
576 In this  paper we propose a  two-stage algorithm based on  two nested iterations
577 called inner-outer  iterations.  This algorithm  consists in solving  the sparse
578 linear system iteratively  with a small number of  inner iterations and restarts
579 the outer  step with a  new solution minimizing  some error functions  over some
580 previous residuals. This algorithm is iterative and easy to parallelize on large
581 clusters   and  the   minimization  technique   improves  its   convergence  and
582 performances.
583
584 The present paper is organized  as follows. In Section~\ref{sec:02} some related
585 works are presented. Section~\ref{sec:03} presents our two-stage algorithm using
586 a  least-square  residual  minimization.   Section~\ref{sec:04}  describes  some
587 convergence  results  on this  method.   Section~\ref{sec:05}  shows  some  experimental
588 results  obtained on large  clusters of  our algorithm  using routines  of PETSc
589 toolkit.  Finally Section~\ref{sec:06} concludes and gives some perspectives.
590 %%%*********************************************************
591 %%%*********************************************************
592
593
594
595 %%%*********************************************************
596 %%%*********************************************************
597 \section{Related works}
598 \label{sec:02} 
599 %Wherever Times is specified, Times Roman or Times New Roman may be used. If neither is available on your system, please use the font closest in appearance to Times. Avoid using bit-mapped fonts if possible. True-Type 1 or Open Type fonts are preferred. Please embed symbol fonts, as well, for math, etc.
600 %%%*********************************************************
601 %%%*********************************************************
602
603
604
605 %%%*********************************************************
606 %%%*********************************************************
607 \section{Two-stage algorithm with least-square residuals minimization}
608 \label{sec:03}
609 A two-stage algorithm is proposed  to solve large  sparse linear systems  of the
610 form  $Ax=b$,  where  $A\in\mathbb{R}^{n\times   n}$  is  a  sparse  and  square
611 nonsingular   matrix,   $x\in\mathbb{R}^n$    is   the   solution   vector   and
612 $b\in\mathbb{R}^n$ is  the right-hand side.  The algorithm is implemented  as an
613 inner-outer iteration  solver based  on iterative Krylov  methods. The  main key
614 points of our solver are given in Algorithm~\ref{algo:01}.
615
616 In order to accelerate the convergence, the outer iteration periodically applies
617 a least-square minimization  on the residuals computed by  the inner solver. The
618 inner solver is based on a Krylov method which does not require to be changed.
619
620 At each outer iteration, the sparse linear system $Ax=b$ is solved, only for $m$
621 iterations, using an iterative method restarting with the previous solution. For
622 example, the GMRES method~\cite{Saad86} or some of its variants can be used as a
623 inner solver. The current solution of the Krylov method is saved inside a matrix
624 $S$ composed of successive solutions computed by the inner iteration.
625
626 Periodically, every $s$ iterations, the minimization step is applied in order to
627 compute a new  solution $x$. For that, the previous  residuals are computed with
628 $(b-AS)$. The minimization of the residuals is obtained by 
629 \begin{equation}
630    \underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2
631 \label{eq:01}
632 \end{equation}
633 with $R=AS$. Then the new solution $x$ is computed with $x=S\alpha$.
634
635
636 In  practice, $R$  is a  dense rectangular  matrix in  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
637 $s\ll n$.   In order  to minimize~(\ref{eq:01}), a  least-square method  such as
638 CGLS ~\cite{Hestenes52}  or LSQR~\cite{Paige82} is used. Those  methods are more
639 appropriate than a direct method in a parallel context.
640
641 \begin{algorithm}[t]
642 \caption{TSARM}
643 \begin{algorithmic}[1]
644   \Input $A$ (sparse matrix), $b$ (right-hand side)
645   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
646   \State Set the initial guess $x^0$
647   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence (error$<\epsilon_{tsarm}$)} \label{algo:conv}
648     \State  $x^k=Solve(A,b,x^{k-1},max\_iter_{kryl})$   \label{algo:solve}
649     \State retrieve error
650     \State $S_{k~mod~s}=x^k$ \label{algo:store}
651     \If {$k$ mod $s=0$ {\bf and} error$>\epsilon_{tsarm}$}
652       \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix} \label{algo:matrix_mul}
653       \State Solve least-squares problem $\underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2$ \label{algo:}
654       \State $x^k=S\alpha$  \Comment{compute new solution}
655     \EndIf
656   \EndFor
657 \end{algorithmic}
658 \label{algo:01}
659 \end{algorithm}
660
661 Algorithm~\ref{algo:01}  summarizes  the principle  of  our  method.  The  outer
662 iteration is  inside the for  loop. Line~\ref{algo:solve}, the Krylov  method is
663 called for a  maximum of $max\_iter_{kryl}$ iterations.  In practice, we  suggest to set this parameter
664 equals to  the restart  number of the  GMRES-like method. Moreover,  a tolerance
665 threshold must be specified for the  solver. In practice, this threshold must be
666 much  smaller  than the  convergence  threshold  of  the TSARM  algorithm  (i.e.
667 $\epsilon_{tsarm}$).  Line~\ref{algo:store}, $S_{k~ mod~ s}=x^k$ consists in copying the
668 solution  $x_k$  into the  column  $k~  mod~ s$ of  the  matrix  $S$. After  the
669 minimization, the matrix $S$ is reused with the new values of the residuals.  To
670 solve the minimization problem, an  iterative method is used. Two parameters are
671 required for that: the maximum number of iteration and the threshold to stop the
672 method.
673
674 To summarize, the important parameters of TSARM are:
675 \begin{itemize}
676 \item $\epsilon_{tsarm}$ the threshold to stop the TSARM method
677 \item $max\_iter_{kryl}$ the maximum number of iterations for the krylov method
678 \item $s$ the number of outer iterations before applying the minimization step
679 \item $max\_iter_{ls}$ the maximum number of iterations for the iterative least-square method
680 \item $\epsilon_{ls}$ the threshold to stop the least-square method
681 \end{itemize}
682
683
684 The  parallelisation  of  TSARM  relies   on  the  parallelization  of  all  its
685 parts. More  precisely, except  the least-square step,  all the other  parts are
686 obvious to  achieve out in parallel. In  order to develop a  parallel version of
687 our   code,   we   have   chosen  to   use   PETSc~\cite{petsc-web-page}.    For
688 line~\ref{algo:matrix_mul} the  matrix-matrix multiplication is  implemented and
689 efficient since the  matrix $A$ is sparse and since the  matrix $S$ contains few
690 colums in  practice. As explained  previously, at least  two methods seem  to be
691 interesting to solve the least-square minimization, CGLS and LSQR.
692
693 In the following  we remind the CGLS algorithm. The LSQR  method follows more or
694 less the same principle but it take more place, so we briefly explain the parallelization of CGLS which is similar to LSQR.
695
696 \begin{algorithm}[t]
697 \caption{CGLS}
698 \begin{algorithmic}[1]
699   \Input $A$ (matrix), $b$ (right-hand side)
700   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
701   \State $r=b-Ax$
702   \State $p=A'r$
703   \State $s=p$
704   \State $g=||s||^2_2$
705   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence (g$<\epsilon_{ls}$)} \label{algo2:conv}
706     \State $q=Ap$
707     \State $\alpha=g/||q||^2_2$
708     \State $x=x+alpha*p$
709     \State $r=r-alpha*q$
710     \State $s=A'*r$
711     \State $g_{old}=g$
712     \State $g=||s||^2_2$
713     \State $\beta=g/g_{old}$
714   \EndFor
715 \end{algorithmic}
716 \label{algo:02}
717 \end{algorithm}
718
719
720 In each iteration  of CGLS, there is two  matrix-vector multiplications and some
721 classical operations:  dots, norm, multiplication  and addition on  vectors. All
722 these operations are easy to implement in PETSc or similar environment.
723
724
725
726 %%%*********************************************************
727 %%%*********************************************************
728
729 \section{Convergence results}
730 \label{sec:04}
731
732
733
734
735 %%%*********************************************************
736 %%%*********************************************************
737 \section{Experiments using petsc}
738 \label{sec:05}
739
740
741 In order to see the influence of our algorithm with only one processor, we first
742 show  a comparison  with the  standard version  of GMRES  and our  algorithm. In
743 table~\ref{tab:01},  we  show  the  matrices  we  have used  and  some  of  them
744 characteristics. For all  the matrices, the name, the field,  the number of rows
745 and the number of nonzero elements is given.
746
747 \begin{table*}
748 \begin{center}
749 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|} 
750 \hline
751 Matrix name              & Field             &\# Rows   & \# Nonzeros   \\\hline \hline
752 crashbasis         & Optimization      & 160,000  &  1,750,416  \\
753 parabolic\_fem     & Computational fluid dynamics  & 525,825 & 2,100,225 \\
754 epb3               & Thermal problem   & 84,617  & 463,625  \\
755 atmosmodj          & Computational fluid dynamics  & 1,270,432 & 8,814,880 \\
756 bfwa398            & Electromagnetics problem & 398 & 3,678 \\
757 torso3             & 2D/3D problem & 259,156 & 4,429,042 \\
758 \hline
759
760 \end{tabular}
761 \caption{Main characteristics of the sparse matrices chosen from the Davis collection}
762 \label{tab:01}
763 \end{center}
764 \end{table*}
765
766 The following  parameters have been chosen  for our experiments.   As by default
767 the restart  of GMRES is performed every  30 iterations, we have  chosen to stop
768 the GMRES every 30 iterations, $max\_iter_{kryl}=30$).  $s$ is set to 8. CGLS is
769 chosen  to minimize  the least-squares  problem with  the  following parameters:
770 $\epsilon_{ls}=1e-40$ and $max\_iter_{ls}=20$.  The external precision is set to
771 $\epsilon_{tsarm}=1e-10$.  Those  experiments have been performed  on a Intel(R)
772 Core(TM) i7-3630QM CPU @ 2.40GHz with the version 3.5.1 of PETSc.
773
774
775 In  Table~\ref{tab:02}, some  experiments comparing  the solving  of  the linear
776 systems obtained with the previous matrices  with a GMRES variant and with out 2
777 stage algorithm are  given. In the second column, it can  be noticed that either
778 gmres or fgmres is used to  solve the linear system.  According to the matrices,
779 different  preconditioner is used.   With TSARM,  the same  solver and  the same
780 preconditionner is used.  This Table shows that TSARM can drastically reduce the
781 number of iterations to reach the  convergence when the number of iterations for
782 the normal GMRES is more or less  greater than 500. In fact this also depends on
783 tow  parameters: the  number  of iterations  to  stop GMRES  and  the number  of
784 iterations to perform the minimization.
785
786
787 \begin{table}
788 \begin{center}
789 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|r|} 
790 \hline
791
792  \multirow{2}{*}{Matrix name}  & Solver /   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} \\ 
793 \cline{3-6}
794        &  precond             & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter.  \\\hline \hline
795
796 crashbasis         & gmres / none             &  15.65     & 518  &  14.12 & 450  \\
797 parabolic\_fem     & gmres / ilu           & 1009.94   & 7573 & 401.52 & 2970 \\
798 epb3               & fgmres / sor             &  8.67     & 600  &  8.21 & 540  \\
799 atmosmodj          &  fgmres / sor & 104.23  & 451 & 88.97 & 366  \\
800 bfwa398            & gmres / none  & 1.42 & 9612 & 0.28 & 1650 \\
801 torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\
802 \hline
803
804 \end{tabular}
805 \caption{Comparison of (F)GMRES and 2 stage (F)GMRES algorithms in sequential with some matrices, time is expressed in seconds.}
806 \label{tab:02}
807 \end{center}
808 \end{table}
809
810
811
812
813
814 In order to perform larger  experiments, we have tested some example application
815 of PETSc. Those  applications are available in the ksp part  which is suited for
816 scalable linear equations solvers:
817 \begin{itemize}
818 \item ex15  is an example  which solves in  parallel an operator using  a finite
819   difference  scheme.   The  diagonal  is  equals to  4  and  4  extra-diagonals
820   representing the neighbors in each directions  is equal to -1. This example is
821   used  in many  physical phenomena, for  example, heat  and fluid  flow, wave
822   propagation...
823 \item ex54 is another example based on 2D problem discretized with quadrilateral
824   finite elements. For this example, the user can define the scaling of material
825   coefficient in embedded circle, it is called $\alpha$.
826 \end{itemize}
827 For more technical details on  these applications, interested reader are invited
828 to  read the  codes available  in the  PETSc sources.   Those problem  have been
829 chosen because they  are scalable with many cores. We  have tested other problem
830 but they are not scalable with many cores.
831
832 In the following larger experiments are described on two large scale architectures: Curie and Juqeen... {\bf description...}\\
833
834
835 {\bf Description of preconditioners}
836
837 \begin{table*}
838 \begin{center}
839 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
840 \hline
841
842   nb. cores & precond   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain \\ 
843 \cline{3-8}
844              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
845   2,048      & mg                    & 403.49   & 18,210    & 73.89  & 3,060   & 77.84  & 3,270  & 5.46 \\
846   2,048      & sor                   & 745.37   & 57,060    & 87.31  & 6,150   & 104.21 & 7,230  & 8.53 \\
847   4,096      & mg                    & 562.25   & 25,170    & 97.23  & 3,990   & 89.71  & 3,630  & 6.27 \\
848   4,096      & sor                   & 912.12   & 70,194    & 145.57 & 9,750   & 168.97 & 10,980 & 6.26 \\
849   8,192      & mg                    & 917.02   & 40,290    & 148.81 & 5,730   & 143.03 & 5,280  & 6.41 \\
850   8,192      & sor                   & 1,404.53 & 106,530   & 212.55 & 12,990  & 180.97 & 10,470 & 7.76 \\
851   16,384     & mg                    & 1,430.56 & 63,930    & 237.17 & 8,310   & 244.26 & 7,950  & 6.03 \\
852   16,384     & sor                   & 2,852.14 & 216,240   & 418.46 & 21,690  & 505.26 & 23,970 & 6.82 \\
853 \hline
854
855 \end{tabular}
856 \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.}
857 \label{tab:03}
858 \end{center}
859 \end{table*}
860
861 Table~\ref{tab:03} shows  the execution  times and the  number of  iterations of
862 example ex15  of PETSc on the  Juqueen architecture. Differents  number of cores
863 are  studied rangin  from  2,048  upto 16,383.   Two  preconditioners have  been
864 tested.   For those experiments,  the number  of components  (or unknown  of the
865 problems)  per processor is  fixed to  25,000. This  number can  seem relatively
866 small. In fact, for  some applications that need a lot of  memory, the number of
867 components per processor requires sometimes to be small.
868
869 In this Table, we  can notice that TSARM is always faster  than FGMRES. The last
870 column shows the ratio between FGMRES and the best version of TSARM according to
871 the minimization procedure: CGLS or LSQR.
872
873
874 \begin{figure}
875 \centering
876   \includegraphics[width=0.45\textwidth]{nb_iter_sec_ex15_juqueen}
877 \caption{Number of iterations per second with ex15 and the same parameters than in Table~\ref{tab:03}}
878 \label{fig:01}
879 \end{figure}
880
881
882
883
884
885 \begin{table*}
886 \begin{center}
887 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
888 \hline
889
890   nb. cores & threshold   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain \\ 
891 \cline{3-8}
892              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
893   2,048      & 8e-5                  & 108.88 & 16,560  & 23.06  &  3,630  & 22.79  & 3,630   & 4.77 \\
894   2,048      & 6e-5                  & 194.01 & 30,270  & 35.50  &  5,430  & 27.74  & 4,350   & 6.99 \\
895   4,096      & 7e-5                  & 160.59 & 22,530  & 35.15  &  5,130  & 29.21  & 4,350   & 5.49 \\
896   4,096      & 6e-5                  & 249.27 & 35,520  & 52.13  &  7,950  & 39.24  & 5,790   & 6.35 \\
897   8,192      & 6e-5                  & 149.54 & 17,280  & 28.68  &  3,810  & 29.05  & 3,990  & 5.21 \\
898   8,192      & 5e-5                  & 785.04 & 109,590 & 76.07  &  10,470  & 69.42 & 9,030  & 11.30 \\
899   16,384     & 4e-5                  & 718.61 & 86,400 & 98.98  &  10,830  & 131.86  & 14,790  & 7.26 \\
900 \hline
901
902 \end{tabular}
903 \caption{Comparison of FGMRES  and 2 stage FGMRES algorithms for ex54 of Petsc (both with the MG preconditioner) with 25000 components per core on Curie (restart=30, s=12),  time is expressed in seconds.}
904 \label{tab:04}
905 \end{center}
906 \end{table*}
907
908
909
910
911
912 \begin{table*}
913 \begin{center}
914 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
915 \hline
916
917   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain & \multicolumn{3}{c|}{efficiency} \\ 
918 \cline{2-7} \cline{9-11}
919                     & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. &   & GMRES & TS CGLS & TS LSQR\\\hline \hline
920    512              & 3,969.69 & 33,120 & 709.57 & 5,790  & 622.76 & 5,070  & 6.37  &   1    &    1    &     1     \\
921    1024             & 1,530.06  & 25,860 & 290.95 & 4,830  & 307.71 & 5,070 & 5.25  &  1.30  &    1.21  &   1.01     \\
922    2048             & 919.62    & 31,470 & 237.52 & 8,040  & 194.22 & 6,510 & 4.73  & 1.08   &    .75   &   .80\\
923    4096             & 405.60    & 28,380 & 111.67 & 7,590  & 91.72  & 6,510 & 4.42  & 1.22   &  .79     &   .84 \\
924    8192             & 785.04   & 109,590 & 76.07  & 10,470 & 69.42 & 9,030  & 11.30 &   .32  &   .58    &  .56 \\
925
926 \hline
927
928 \end{tabular}
929 \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.}
930 \label{tab:05}
931 \end{center}
932 \end{table*}
933
934 %%%*********************************************************
935 %%%*********************************************************
936
937
938
939 %%%*********************************************************
940 %%%*********************************************************
941 \section{Conclusion}
942 \label{sec:06}
943 %The conclusion goes here. this is more of the conclusion
944 %%%*********************************************************
945 %%%*********************************************************
946
947
948 future plan : \\
949 - study other kinds of matrices, problems, inner solvers\\
950 - test the influence of all the parameters\\
951 - adaptative number of outer iterations to minimize\\
952 - other methods to minimize the residuals?\\
953 - implement our solver inside PETSc
954
955
956 % conference papers do not normally have an appendix
957
958
959
960 % use section* for acknowledgement
961 %%%*********************************************************
962 %%%*********************************************************
963 \section*{Acknowledgment}
964 This  paper  is   partially  funded  by  the  Labex   ACTION  program  (contract
965 ANR-11-LABX-01-01).   We acknowledge PRACE  for awarding  us access  to resource
966 Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
967
968
969
970 % trigger a \newpage just before the given reference
971 % number - used to balance the columns on the last page
972 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
973 % the document is modified later
974 %\IEEEtriggeratref{8}
975 % The "triggered" command can be changed if desired:
976 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
977
978 % references section
979
980 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
981 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
982 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
983 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
984 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
985 \bibliographystyle{IEEEtran}
986 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
987 \bibliography{biblio}
988 %
989 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
990 % set second argument of \begin to the number of references
991 % (used to reserve space for the reference number labels box)
992 %% \begin{thebibliography}{1}
993
994 %% \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.
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1000 %% \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.
1001 %% \end{thebibliography}
1002
1003
1004
1005
1006 % that's all folks
1007 \end{document}
1008
1009