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Private GIT Repository
b755e4c790f3f9e25badf91047fa3d52edd75708
[GMRES2stage.git] / paper.tex
1
2 %% bare_conf.tex
3 %% V1.3
4 %% 2007/01/11
5 %% by Michael Shell
6 %% See:
7 %% http://www.michaelshell.org/
8 %% for current contact information.
9 %%
10 %% This is a skeleton file demonstrating the use of IEEEtran.cls
11 %% (requires IEEEtran.cls version 1.7 or later) with an IEEE conference paper.
12 %%
13 %% Support sites:
14 %% http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/
15 %% http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/IEEEtran/
16 %% and
17 %% http://www.ieee.org/
18
19 %%*************************************************************************
20 %% Legal Notice:
21 %% This code is offered as-is without any warranty either expressed or
22 %% implied; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
23 %% FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE! 
24 %% User assumes all risk.
25 %% In no event shall IEEE or any contributor to this code be liable for
26 %% any damages or losses, including, but not limited to, incidental,
27 %% consequential, or any other damages, resulting from the use or misuse
28 %% of any information contained here.
29 %%
30 %% All comments are the opinions of their respective authors and are not
31 %% necessarily endorsed by the IEEE.
32 %%
33 %% This work is distributed under the LaTeX Project Public License (LPPL)
34 %% ( http://www.latex-project.org/ ) version 1.3, and may be freely used,
35 %% distributed and modified. A copy of the LPPL, version 1.3, is included
36 %% in the base LaTeX documentation of all distributions of LaTeX released
37 %% 2003/12/01 or later.
38 %% Retain all contribution notices and credits.
39 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
40 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
41 %%
42 %% File list of work: IEEEtran.cls, IEEEtran_HOWTO.pdf, bare_adv.tex,
43 %%                    bare_conf.tex, bare_jrnl.tex, bare_jrnl_compsoc.tex
44 %%*************************************************************************
45
46 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
47 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
48 % *** with production work. IEEE's font choices can trigger bugs that do  ***
49 % *** not appear when using other class files.                            ***
50 % The testflow support page is at:
51 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
52
53
54
55 % Note that the a4paper option is mainly intended so that authors in
56 % countries using A4 can easily print to A4 and see how their papers will
57 % look in print - the typesetting of the document will not typically be
58 % affected with changes in paper size (but the bottom and side margins will).
59 % Use the testflow package mentioned above to verify correct handling of
60 % both paper sizes by the user's LaTeX system.
61 %
62 % Also note that the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", option
63 % should be used if it is desired that the figures are to be displayed in
64 % draft mode.
65 %
66 \documentclass[10pt, conference, compsocconf]{IEEEtran}
67 % Add the compsocconf option for Computer Society conferences.
68 %
69 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
70 % manually specify the path to it like:
71 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
72
73
74
75
76
77 % Some very useful LaTeX packages include:
78 % (uncomment the ones you want to load)
79
80
81 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
82 %
83 %\usepackage{ifpdf}
84 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
85 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
86 % usage:
87 % \ifpdf
88 %   % pdf code
89 % \else
90 %   % dvi code
91 % \fi
92 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
93 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/oberdiek/
94 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
95 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
96 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
97 % have to be run twice to clear warning/error messages.
98
99
100
101
102
103
104 % *** CITATION PACKAGES ***
105 %
106 %\usepackage{cite}
107 % cite.sty was written by Donald Arseneau
108 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
109 % \cite{} output to follow that of IEEE. Loading the cite package will
110 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
111 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
112 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
113 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
114 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off.
115 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
116 % version 4.0 (2003-05-27) and later if using hyperref.sty. cite.sty does
117 % not currently provide for hyperlinked citations.
118 % The latest version can be obtained at:
119 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/cite/
120 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
121
122
123
124
125
126
127 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
128 %
129 \ifCLASSINFOpdf
130   % \usepackage[pdftex]{graphicx}
131   % declare the path(s) where your graphic files are
132   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
133   % and their extensions so you won't have to specify these with
134   % every instance of \includegraphics
135   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
136 \else
137   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
138   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
139   % driver is specified.
140   % \usepackage[dvips]{graphicx}
141   % declare the path(s) where your graphic files are
142   % \graphicspath{{../eps/}}
143   % and their extensions so you won't have to specify these with
144   % every instance of \includegraphics
145   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
146 \fi
147 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
148 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
149 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
150 % be obtained at: 
151 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/graphics/
152 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
153 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found as epslatex.ps or
154 % epslatex.pdf at: http://www.ctan.org/tex-archive/info/
155 %
156 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
157 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
158 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
159 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
160 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). IEEE frowns on bitmapped formats
161 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
162 % well as large increases in file sizes.
163 %
164 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
165 % http://www.tug.org/applications/pdftex
166
167
168
169
170
171 % *** MATH PACKAGES ***
172 %
173 %\usepackage[cmex10]{amsmath}
174 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
175 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics. If using
176 % it, be sure to load this package with the cmex10 option to ensure that
177 % only type 1 fonts will utilized at all point sizes. Without this option,
178 % it is possible that some math symbols, particularly those within
179 % footnotes, will be rendered in bitmap form which will result in a
180 % document that can not be IEEE Xplore compliant!
181 %
182 % Also, note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
183 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
184 %\interdisplaylinepenalty=2500
185 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
186 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
187 % version and documentation can be obtained at:
188 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/amslatex/math/
189
190
191
192
193
194 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
195 %
196 %\usepackage{algorithmic}
197 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
198 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
199 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
200 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
201 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
202 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as IEEE does not use dedicated
203 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
204 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
205 % algorithmic.sty can be obtained at:
206 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithms/
207 % There is also a support site at:
208 % http://algorithms.berlios.de/index.html
209 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
210 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
211 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/algorithmicx/
212
213
214
215
216 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
217 %
218 %\usepackage{array}
219 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
220 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
221 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
222 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
223 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
224 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
225 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
226 % latest version and documentation can be obtained at:
227 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/required/tools/
228
229
230 %\usepackage{mdwmath}
231 %\usepackage{mdwtab}
232 % Also highly recommended is Mark Wooding's extremely powerful MDW tools,
233 % especially mdwmath.sty and mdwtab.sty which are used to format equations
234 % and tables, respectively. The MDWtools set is already installed on most
235 % LaTeX systems. The lastest version and documentation is available at:
236 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/mdwtools/
237
238
239 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
240 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
241 % quality.
242
243
244 %\usepackage{eqparbox}
245 % Also of notable interest is Scott Pakin's eqparbox package for creating
246 % (automatically sized) equal width boxes - aka "natural width parboxes".
247 % Available at:
248 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/eqparbox/
249
250
251
252
253
254 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
255 %\usepackage[tight,footnotesize]{subfigure}
256 % subfigure.sty was written by Steven Douglas Cochran. This package makes it
257 % easy to put subfigures in your figures. e.g., "Figure 1a and 1b". For IEEE
258 % work, it is a good idea to load it with the tight package option to reduce
259 % the amount of white space around the subfigures. subfigure.sty is already
260 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation can
261 % be obtained at:
262 % http://www.ctan.org/tex-archive/obsolete/macros/latex/contrib/subfigure/
263 % subfigure.sty has been superceeded by subfig.sty.
264
265
266
267 %\usepackage[caption=false]{caption}
268 %\usepackage[font=footnotesize]{subfig}
269 % subfig.sty, also written by Steven Douglas Cochran, is the modern
270 % replacement for subfigure.sty. However, subfig.sty requires and
271 % automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty which will override
272 % IEEEtran.cls handling of captions and this will result in nonIEEE style
273 % figure/table captions. To prevent this problem, be sure and preload
274 % caption.sty with its "caption=false" package option. This is will preserve
275 % IEEEtran.cls handing of captions. Version 1.3 (2005/06/28) and later 
276 % (recommended due to many improvements over 1.2) of subfig.sty supports
277 % the caption=false option directly:
278 %\usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
279 %
280 % The latest version and documentation can be obtained at:
281 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/subfig/
282 % The latest version and documentation of caption.sty can be obtained at:
283 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/caption/
284
285
286
287
288 % *** FLOAT PACKAGES ***
289 %
290 %\usepackage{fixltx2e}
291 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
292 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
293 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
294 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
295 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
296 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
297 % figure. The latest version and documentation can be found at:
298 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/base/
299
300
301
302 %\usepackage{stfloats}
303 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
304 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
305 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
306 % LaTeX2e). It also provides a command:
307 %\fnbelowfloat
308 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
309 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
310 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
311 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
312 % version and documentation can be obtained at:
313 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/sttools/
314 % Documentation is contained in the stfloats.sty comments as well as in the
315 % presfull.pdf file. Do not use the stfloats baselinefloat ability as IEEE
316 % does not allow \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the
317 % IEEE should note that IEEE rarely uses double column equations and
318 % that authors should try to avoid such use. Do not be tempted to use the
319 % cuted.sty or midfloat.sty packages (also by Sigitas Tolusis) as IEEE does
320 % not format its papers in such ways.
321
322
323
324
325
326 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
327 %
328 %\usepackage{url}
329 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
330 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
331 % systems. The latest version can be obtained at:
332 % http://www.ctan.org/tex-archive/macros/latex/contrib/misc/
333 % Read the url.sty source comments for usage information. Basically,
334 % \url{my_url_here}.
335
336
337
338
339
340 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
341 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
342 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
343 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
344 % to submit to, of course. )
345
346
347 % correct bad hyphenation here
348 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
349
350
351
352 \usepackage{algorithm}
353 \usepackage{algpseudocode}
354 \usepackage{amsmath}
355 \usepackage{amssymb}
356 \usepackage{multirow}
357
358 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
359 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
360
361 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
362 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
363
364
365
366 \begin{document}
367 %
368 % paper title
369 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
370 \title{A Krylov two-stage algorithm to solve large sparse linear systems}
371 %où
372 %\title{A two-stage algorithm with error minimization to solve large sparse linear systems}
373 %où
374 %\title{???}
375
376
377 % author names and affiliations
378 % use a multiple column layout for up to two different
379 % affiliations
380
381 \author{\IEEEauthorblockN{Rapha\"el Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Lilia Ziane Khodja \IEEEauthorrefmark{2} and Christophe Guyeux\IEEEauthorrefmark{1}}
382 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1} Femto-ST Institute, University of Franche Comte, France\\
383 Email: \{raphael.couturier,christophe.guyeux\}@univ-fcomte.fr}
384 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2} INRIA Bordeaux Sud-Ouest, France\\
385 Email: lilia.ziane@inria.fr}
386 }
387
388
389
390 % conference papers do not typically use \thanks and this command
391 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
392 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
393 % after \documentclass
394
395 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
396 % of the page, use this alternative format:
397
398 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
399 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
400 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
401 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
402 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
403 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
404 %Georgia Institute of Technology,
405 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
406 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
407 %Email: homer@thesimpsons.com}
408 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
409 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
410 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
411
412
413
414
415 % use for special paper notices
416 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
417
418
419
420
421 % make the title area
422 \maketitle
423
424
425 \begin{abstract}
426 %The abstract goes here. DO NOT USE SPECIAL CHARACTERS, SYMBOLS, OR MATH IN YOUR TITLE OR ABSTRACT.
427 \end{abstract}
428
429 \begin{IEEEkeywords}
430 Iterative Krylov methods; sparse linear systems; error minimization; PETSc; %à voir... 
431 \end{IEEEkeywords}
432
433
434 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
435 % page as needed:
436 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
437 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
438 % \fi
439 %
440 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
441 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
442 \IEEEpeerreviewmaketitle
443
444
445
446
447 % An example of a floating figure using the graphicx package.
448 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
449 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
450 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
451 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
452 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
453 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
454 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
455 %
456 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
457 % option should be used if it is desired that the figures are to be
458 % displayed while in draft mode.
459 %
460 %\begin{figure}[!t]
461 %\centering
462 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
463 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
464 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
465 % via \DeclareGraphicsExtensions.
466 %\caption{Simulation Results}
467 %\label{fig_sim}
468 %\end{figure}
469
470 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
471 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
472
473
474 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
475 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
476 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
477 % \label for the overall figure must come after \caption.
478 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
479 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
480 % used instead of \subfloat.
481 %
482 %\begin{figure*}[!t]
483 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
484 %\label{fig_first_case}}
485 %\hfil
486 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
487 %\label{fig_second_case}}}
488 %\caption{Simulation results}
489 %\label{fig_sim}
490 %\end{figure*}
491 %
492 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
493 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
494 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
495
496
497 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
498 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
499 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
500 % The \label must come after \caption as always.
501 %
502 %\begin{table}[!t]
503 %% increase table row spacing, adjust to taste
504 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
505 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
506 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
507 %\caption{An Example of a Table}
508 %\label{table_example}
509 %\centering
510 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
511 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
512 %\begin{tabular}{|c||c|}
513 %\hline
514 %One & Two\\
515 %\hline
516 %Three & Four\\
517 %\hline
518 %\end{tabular}
519 %\end{table}
520
521
522 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
523 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
524 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
525 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
526 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
527 % command of the stfloats package.
528
529
530
531 %%%*********************************************************
532 %%%*********************************************************
533 \section{Introduction}
534 % no \IEEEPARstart
535 % You must have at least 2 lines in the paragraph with the drop letter
536 % (should never be an issue)
537 Iterative  methods are become  more attractive  than direct  ones to  solve very
538 large sparse linear  systems. They are more effective in  a parallel context and
539 require less memory  and arithmetic operations than direct  methods. A number of
540 iterative methods are proposed and adapted by many researchers and the increased
541 need for solving  very large sparse linear systems  triggered the development of
542 efficient iterative techniques suitable for the parallel processing.
543
544 Most of the successful iterative methods currently available are based on Krylov
545 subspaces which  consist in forming a  basis of a sequence  of successive matrix
546 powers times an initial vector for example the residual. These methods are based
547 on  orthogonality  of vectors  of  the Krylov  subspace  basis  to solve  linear
548 systems.  The  most well-known iterative  Krylov subspace methods  are Conjugate
549 Gradient method and GMRES method (generalized minimal residual).
550
551 However,  iterative  methods suffer  from scalability  problems  on parallel
552 computing  platforms  with many  processors  due  to  their need  for  reduction
553 operations    and   collective    communications   to    perform   matrix-vector
554 multiplications. The  communications on large  clusters with thousands  of cores
555 and  large  sizes of  messages  can  significantly  affect the  performances  of
556 iterative methods. In practice, Krylov subspace iteration methods are often used
557 with preconditioners in order to increase their convergence and accelerate their
558 performances.  However, most  of the  good preconditioners  are not  scalable on
559 large clusters.
560
561 In this  paper we propose a  two-stage algorithm based on  two nested iterations
562 called inner-outer  iterations.  This algorithm  consists in solving  the sparse
563 linear system iteratively  with a small number of  inner iterations and restarts
564 the outer step with a new solution minimizing some error functions over a Krylov
565 subspace. This algorithm is iterative  and easy to parallelize on large clusters
566 and the minimization technique improves its convergence and performances.
567
568 The present paper is organized  as follows. In Section~\ref{sec:02} some related
569 works are presented. Section~\ref{sec:03} presents our two-stage algorithm based
570 on   Krylov  subspace   iteration  methods.   Section~\ref{sec:04}   shows  some
571 experimental results obtained on large  clusters of our algorithm using routines
572 of PETSc toolkit.
573 %%%*********************************************************
574 %%%*********************************************************
575
576
577
578 %%%*********************************************************
579 %%%*********************************************************
580 \section{Related works}
581 \label{sec:02} 
582 %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.
583 %%%*********************************************************
584 %%%*********************************************************
585
586
587
588 %%%*********************************************************
589 %%%*********************************************************
590 \section{A Krylov two-stage algorithm}
591 \label{sec:03}
592 A two-stage algorithm is proposed  to solve large  sparse linear systems  of the
593 form  $Ax=b$,  where  $A\in\mathbb{R}^{n\times   n}$  is  a  sparse  and  square
594 nonsingular   matrix,   $x\in\mathbb{R}^n$    is   the   solution   vector   and
595 $b\in\mathbb{R}^n$ is  the right-hand side.  The algorithm is implemented  as an
596 inner-outer iteration  solver based  on iterative Krylov  methods. The  main key
597 points of our solver are given in Algorithm~\ref{algo:01}.
598
599 In order to accelerate the convergence, the outer iteration is implemented as an
600 iterative  Krylov method  which minimizes  some  error functions  over a  Krylov
601 subspace~\cite{saad96}. At  each iteration, the  sparse linear system  $Ax=b$ is
602 solved   iteratively    with   an   iterative   method,    for   example   GMRES
603 method~\cite{saad86} or  some of its variants,  and the Krylov  subspace that we
604 used is spanned by a basis  $S$ composed of successive solutions issued from the
605 inner iteration
606 \begin{equation}
607   S = \{x^1, x^2, \ldots, x^s\} \text{,~} s\leq n.
608 \end{equation} 
609 The advantage  of such a Krylov subspace  is that we neither  need an orthogonal
610 basis nor  any synchronization  between processors to  generate this  basis. The
611 algorithm  is periodically  restarted every  $s$ iterations  with a  new initial
612 guess $x=S\alpha$ which minimizes the residual norm $\|b-Ax\|_2$ over the Krylov
613 subspace spanned by  vectors of $S$, where $\alpha$ is a  solution of the normal
614 equations
615 \begin{equation}
616   R^TR\alpha = R^Tb,
617 \end{equation}
618 which is associated with the least-squares problem
619 \begin{equation}
620    \underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2
621 \label{eq:01}
622 \end{equation}
623 such  that $R=AS$  is a  dense rectangular  matrix in  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
624 $s\ll n$,  and $R^T$ denotes  the transpose of  matrix $R$. We use  an iterative
625 method   to  solve   the  least-squares   problem~(\ref{eq:01})  such   as  CGLS
626 ~\cite{hestenes52}  or LSQR~\cite{paige82}  which  are more  appropriate than  a
627 direct method in the parallel context.
628
629 \begin{algorithm}[t]
630 \caption{A Krylov two-stage algorithm}
631 \begin{algorithmic}[1]
632   \Input $A$ (sparse matrix), $b$ (right-hand side)
633   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
634   \State Set the initial guess $x^0$
635   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence} \label{algo:conv}
636     \State Solve iteratively $Ax^k=b$  \label{algo:solve}
637     \State $S_{k~mod~s}=x^k$ 
638     \If {$k$ mod $s=0$ {\bf and} not convergence}
639       \State Compute dense matrix $R=AS$
640       \State Solve least-squares problem $\underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2$
641       \State Compute minimizer $x^k=S\alpha$
642     \EndIf
643   \EndFor
644 \end{algorithmic}
645 \label{algo:01}
646 \end{algorithm}
647
648 Operation $S_{k~  mod~ s}=x^k$ consists in  copying the residual  $x_k$ into the
649 column $k~ mod~ s$ of the matrix  $S$. After the minimization, the matrix $S$ is
650 reused with the new values of the residuals.
651
652 %%%*********************************************************
653 %%%*********************************************************
654
655
656
657 %%%*********************************************************
658 %%%*********************************************************
659 \section{Experiments using petsc}
660 \label{sec:04}
661
662
663 In order to see the influence of our algorithm with only one processor, we first
664 show  a comparison  with the  standard version  of GMRES  and our  algorithm. In
665 table~\ref{tab:01},  we  show  the  matrices  we  have used  and  some  of  them
666 characteristics. For all  the matrices, the name, the field,  the number of rows
667 and the number of nonzero elements is given.
668
669 \begin{table}
670 \begin{center}
671 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|} 
672 \hline
673 Matrix name              & Field             &\# Rows   & \# Nonzeros   \\\hline \hline
674 crashbasis         & Optimization      & 160,000  &  1,750,416  \\
675 parabolic\_fem     & Computational fluid dynamics  & 525,825 & 2,100,225 \\
676 epb3               & Thermal problem   & 84,617  & 463,625  \\
677 atmosmodj          & Computational fluid dynamics  & 1,270,432 & 8,814,880 \\
678 bfwa398            & Electromagnetics problem & 398 & 3,678 \\
679 torso3             & 2D/3D problem & 259,156 & 4,429,042 \\
680 \hline
681
682 \end{tabular}
683 \caption{Main characteristics of the sparse matrices chosen from the Davis collection}
684 \label{tab:01}
685 \end{center}
686 \end{table}
687
688 The following  parameters have been chosen  for our experiments.   As by default
689 the restart  of GMRES is performed every  30 iterations, we have  chosen to stop
690 the     GMRES    every     30    iterations     (line     \ref{algo:solve}    in
691 Algorithm~\ref{algo:01}).   $s$ is  set to  8. CGLS  is chosen  to  minimize the
692 least-squares  problem.  Two  conditions  are  used to  stop  CGLS,  either  the
693 precision is under $1e-40$ or the  number of iterations is greater to $20$.  The
694 external   precision    is   set    to   $1e-10$   (line    \ref{algo:conv}   in
695 Algorithm~\ref{algo:01}).  Those  experiments have been performed  on a Intel(R)
696 Core(TM) i7-3630QM CPU @ 2.40GHz with the version 3.5.1 of PETSc.
697
698
699 In  Table~\ref{tab:02}, some  experiments comparing  the solving  of  the linear
700 systems obtained with the previous matrices  with a GMRES variant and with out 2
701 stage algorithm are  given. In the second column, it can  be noticed that either
702 gmres or fgmres is used to  solve the linear system.  According to the matrices,
703 different preconditioner is  used.  With the 2 stage  algorithm, the same solver
704 and  the same  preconditionner  is used.   This  Table shows  that  the 2  stage
705 algorithm  can  drastically  reduce  the  number  of  iterations  to  reach  the
706 convergence when the  number of iterations for the normal GMRES  is more or less
707 greater than  500. In fact  this also depends  on tow parameters: the  number of
708 iterations  to  stop  GMRES  and   the  number  of  iterations  to  perform  the
709 minimization.
710
711
712 \begin{table}
713 \begin{center}
714 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|r|} 
715 \hline
716
717  \multirow{2}{*}{Matrix name}  & Solver /   & \multicolumn{2}{c|}{gmres variant} & \multicolumn{2}{c|}{2 stage CGLS} \\ 
718 \cline{3-6}
719        &  precond             & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter.  \\\hline \hline
720
721 crashbasis         & gmres / none             &  15.65     & 518  &  14.12 & 450  \\
722 parabolic\_fem     & gmres / ilu           & 1009.94   & 7573 & 401.52 & 2970 \\
723 epb3               & fgmres / sor             &  8.67     & 600  &  8.21 & 540  \\
724 atmosmodj          &  fgmres / sor & 104.23  & 451 & 88.97 & 366  \\
725 bfwa398            & gmres / none  & 1.42 & 9612 & 0.28 & 1650 \\
726 torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\
727 \hline
728
729 \end{tabular}
730 \caption{Comparison of (F)GMRES and 2 stage (F)GMRES algorithms in sequential with some matrices, time is expressed in seconds.}
731 \label{tab:02}
732 \end{center}
733 \end{table}
734
735
736
737
738 Larger experiments ....
739
740 \begin{table*}
741 \begin{center}
742 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
743 \hline
744
745   nb. cores & precond   & \multicolumn{2}{c|}{gmres variant} & \multicolumn{2}{c|}{2 stage CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{2 stage LSQR} & best gain \\ 
746 \cline{3-8}
747              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
748   2,048      & mg                    & 403.49   & 18,210    & 73.89  & 3,060   & 77.84  & 3,270  & 5.46 \\
749   2,048      & sor                   & 745.37   & 57,060    & 87.31  & 6,150   & 104.21 & 7,230  & 8.53 \\
750   4,096      & mg                    & 562.25   & 25,170    & 97.23  & 3,990   & 89.71  & 3,630  & 6.27 \\
751   4,096      & sor                   & 912.12   & 70,194    & 145.57 & 9,750   & 168.97 & 10,980 & 6.26 \\
752   8,192      & mg                    & 917.02   & 40,290    & 148.81 & 5,730   & 143.03 & 5,280  & 6.41 \\
753   8,192      & sor                   & 1,404.53 & 106,530   & 212.55 & 12,990  & 180.97 & 10,470 & 7.76 \\
754   16,384     & mg                    & 1,430.56 & 63,930    & 237.17 & 8,310   & 244.26 & 7,950  & 6.03 \\
755   16,384     & sor                   & 2,852.14 & 216,240   & 418.46 & 21,690  & 505.26 & 23,970 & 6.82 \\
756 \hline
757
758 \end{tabular}
759 \caption{Comparison of FGMRES and 2 stage FGMRES algorithms for ex15 of Petsc with 25000 components per core on Juqueen (threshold 1e-3, restart=30, s=12),  time is expressed in seconds.}
760 \label{tab:03}
761 \end{center}
762 \end{table*}
763
764
765
766 %%%*********************************************************
767 %%%*********************************************************
768
769
770
771 %%%*********************************************************
772 %%%*********************************************************
773 \section{Conclusion}
774 \label{sec:05}
775 %The conclusion goes here. this is more of the conclusion
776 %%%*********************************************************
777 %%%*********************************************************
778
779
780
781 % conference papers do not normally have an appendix
782
783
784
785 % use section* for acknowledgement
786 %%%*********************************************************
787 %%%*********************************************************
788 \section*{Acknowledgment}
789 This  paper  is   partially  funded  by  the  Labex   ACTION  program  (contract
790 ANR-11-LABX-01-01).   We acknowledge PRACE  for awarding  us access  to resource
791 Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
792
793
794
795 % trigger a \newpage just before the given reference
796 % number - used to balance the columns on the last page
797 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
798 % the document is modified later
799 %\IEEEtriggeratref{8}
800 % The "triggered" command can be changed if desired:
801 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
802
803 % references section
804
805 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
806 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
807 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
808 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
809 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
810 %\bibliographystyle{IEEEtran}
811 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
812 %\bibliography{IEEEabrv,../bib/paper}
813 %
814 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
815 % set second argument of \begin to the number of references
816 % (used to reserve space for the reference number labels box)
817 \begin{thebibliography}{1}
818
819 \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.
820
821 \bibitem{saad96} Y.~Saad, \emph{Iterative Methods for Sparse Linear Systems}, PWS Publishing, New York, 1996.
822
823 \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.
824
825 \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.
826 \end{thebibliography}
827
828
829
830
831 % that's all folks
832 \end{document}
833
834