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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 \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{TSIRM: A Two-Stage Iteration with least-squares Residual Minimization algorithm to solve large sparse linear systems}
373
374
375
376
377
378
379 % author names and affiliations
380 % use a multiple column layout for up to two different
381 % affiliations
382
383 \author{\IEEEauthorblockN{Rapha\"el Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2}, and Christophe Guyeux\IEEEauthorrefmark{1}}
384 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1} Femto-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, France\\
385 Email: \{raphael.couturier,christophe.guyeux\}@univ-fcomte.fr}
386 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2} LTAS-Mécanique numérique non linéaire, University of Liege, Belgium\\ Email: l.zianekhodja@ulg.ac.be}
387 %INRIA Bordeaux Sud-Ouest, France\\ Email: lilia.ziane@inria.fr}
388 }
389
390
391
392 % conference papers do not typically use \thanks and this command
393 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
394 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
395 % after \documentclass
396
397 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
398 % of the page, use this alternative format:
399
400 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
401 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
402 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
403 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
404 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
405 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
406 %Georgia Institute of Technology,
407 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
408 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
409 %Email: homer@thesimpsons.com}
410 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
411 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
412 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
413
414
415
416
417 % use for special paper notices
418 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
419
420
421
422
423 % make the title area
424 \maketitle
425
426
427 \begin{abstract}
428 In  this article, a  two-stage iterative  algorithm is  proposed to  improve the
429 convergence  of  Krylov  based  iterative  methods,  typically  those  of  GMRES
430 variants.  The  principle of  the  proposed approach  is  to  build an  external
431 iteration over the  Krylov method, and to frequently  store its current residual
432 (at each GMRES restart for instance).  After a given number of outer iterations,
433 a least-squares minimization step is applied on the matrix composed by the saved
434 residuals, in order  to compute a better solution and to  make new iterations if
435 required.  It  is proven that the  proposal has the  same convergence properties
436 than the  inner embedded  method itself.  Experiments  using up to  16,394 cores
437 also  show that the  proposed algorithm  runs around  5 or  7 times  faster than
438 GMRES.
439 \end{abstract}
440
441 \begin{IEEEkeywords}
442 Iterative Krylov methods; sparse linear systems; two stage iteration; least-squares residual minimization; PETSc
443 \end{IEEEkeywords}
444
445
446 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
447 % page as needed:
448 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
449 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
450 % \fi
451 %
452 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
453 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
454 \IEEEpeerreviewmaketitle
455
456
457
458
459 % An example of a floating figure using the graphicx package.
460 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
461 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
462 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
463 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
464 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
465 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
466 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
467 %
468 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
469 % option should be used if it is desired that the figures are to be
470 % displayed while in draft mode.
471 %
472 %\begin{figure}[!t]
473 %\centering
474 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
475 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
476 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
477 % via \DeclareGraphicsExtensions.
478 %\caption{Simulation Results}
479 %\label{fig_sim}
480 %\end{figure}
481
482 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
483 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
484
485
486 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
487 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
488 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
489 % \label for the overall figure must come after \caption.
490 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
491 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
492 % used instead of \subfloat.
493 %
494 %\begin{figure*}[!t]
495 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
496 %\label{fig_first_case}}
497 %\hfil
498 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
499 %\label{fig_second_case}}}
500 %\caption{Simulation results}
501 %\label{fig_sim}
502 %\end{figure*}
503 %
504 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
505 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
506 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
507
508
509 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
510 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
511 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
512 % The \label must come after \caption as always.
513 %
514 %\begin{table}[!t]
515 %% increase table row spacing, adjust to taste
516 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
517 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
518 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
519 %\caption{An Example of a Table}
520 %\label{table_example}
521 %\centering
522 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
523 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
524 %\begin{tabular}{|c||c|}
525 %\hline
526 %One & Two\\
527 %\hline
528 %Three & Four\\
529 %\hline
530 %\end{tabular}
531 %\end{table}
532
533
534 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
535 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
536 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
537 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
538 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
539 % command of the stfloats package.
540
541
542
543 %%%*********************************************************
544 %%%*********************************************************
545 \section{Introduction}
546 % no \IEEEPARstart
547 % You must have at least 2 lines in the paragraph with the drop letter
548 % (should never be an issue)
549
550 Iterative methods have recently become more attractive than direct ones to solve
551 very large sparse  linear systems~\cite{Saad2003}.  They are more  efficient in a
552 parallel context,  supporting thousands of  cores, and they require  less memory
553 and  arithmetic operations than  direct methods~\cite{bahicontascoutu}.  This is
554 why new iterative methods are frequently proposed or adapted by researchers, and
555 the increasing need to solve very  large sparse linear systems has triggered the
556 development  of  such  efficient  iterative  techniques  suitable  for  parallel
557 processing.
558
559 Most  of the  successful  iterative  methods currently  available  are based  on
560 so-called ``Krylov  subspaces''. They consist  in forming a basis  of successive
561 matrix powers  multiplied by an  initial vector, which  can be for  instance the
562 residual. These methods  use vectors orthogonality of the  Krylov subspace basis
563 in  order to solve  linear systems.   The best  known iterative  Krylov subspace
564 methods are conjugate 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   achieve  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
573 used  with  preconditioners  in  practice,  to increase  their  convergence  and
574 accelerate their  performances.  However, most  of the good  preconditioners are
575 not scalable on 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
579 the sparse  linear system iteratively with  a small number  of inner iterations,
580 and  restarting  the  outer step  with  a  new  solution minimizing  some  error
581 functions  over some previous  residuals. For  further information  on two-stage
582 iteration      methods,     interested      readers      are     invited      to
583 consult~\cite{Nichols:1973:CTS}. Two-stage algorithms are easy to parallelize on
584 large clusters.  Furthermore,  the least-squares minimization technique improves
585 its convergence and performances.
586
587 The present  article is  organized as follows.   Related works are  presented in
588 Section~\ref{sec:02}. Section~\ref{sec:03} details the two-stage algorithm using
589 a  least-squares  residual   minimization,  while  Section~\ref{sec:04}  provides
590 convergence  results  regarding this  method.   Section~\ref{sec:05} shows  some
591 experimental  results  obtained  on  large  clusters  using  routines  of  PETSc
592 toolkit. This research work ends by  a conclusion section, in which the proposal
593 is summarized while intended perspectives are provided.
594
595 %%%*********************************************************
596 %%%*********************************************************
597
598
599
600 %%%*********************************************************
601 %%%*********************************************************
602 \section{Related works}
603 \label{sec:02} 
604 Krylov subspace iteration methods have increasingly become key
605 techniques  for  solving  linear and nonlinear systems,  or  eigenvalue  problems,
606 especially      since       the      increasing      development       of      
607 preconditioners~\cite{Saad2003,Meijerink77}.  One reason  for  the popularity  of
608 these methods is their generality, simplicity, and efficiency to solve systems of
609 equations arising from very large and complex problems.
610
611 GMRES is one of the most  widely used Krylov iterative method for solving sparse
612 and   large  linear   systems.  It   has   been  developed   by  Saad   \emph{et
613   al.}~\cite{Saad86}  as  a generalized  method  to  deal  with unsymmetric  and
614 non-Hermitian problems,  and indefinite symmetric problems too.  In its original
615 version  called full  GMRES,  this  algorithm minimizes  the  residual over  the
616 current Krylov subspace  until convergence in at most  $n$ iterations, where $n$
617 is the size  of the sparse matrix.   Full GMRES is however too  expensive in the
618 case  of  large  matrices,  since  the required  orthogonalization  process  per
619 iteration grows  quadratically with the  number of iterations. For  that reason,
620 GMRES is  restarted in  practice after  each $m\ll n$  iterations, to  avoid the
621 storage of a  large orthonormal basis. However, the  convergence behavior of the
622 restarted GMRES,  called GMRES($m$), in  many cases depends quite  critically on
623 the  $m$  value~\cite{Huang89}.  Therefore  in  most  cases,  a  preconditioning
624 technique  is applied  to the  restarted GMRES  method in  order to  improve its
625 convergence.
626
627 To enhance the robustness of Krylov iterative solvers, some techniques have been
628 proposed allowing the use of different preconditioners, if necessary, within the
629 iteration  itself   instead  of  restarting.   Those  techniques   may  lead  to
630 considerable  savings  in  CPU  time  and memory  requirements.  Van  der  Vorst
631 in~\cite{Vorst94} has for  instance proposed variants of the  GMRES algorithm in
632 which a  different preconditioner is applied  in each iteration,  leading to the
633 so-called  GMRESR  family of  nested  methods.  In  fact,  the  GMRES method  is
634 effectively preconditioned with other iterative schemes (or GMRES itself), where
635 the  iterations  of the  GMRES  method are  called  outer  iterations while  the
636 iterations of  the preconditioning process  is referred to as  inner iterations.
637 Saad in~\cite{Saad:1993}  has proposed Flexible GMRES (FGMRES)  which is another
638 variant of the  GMRES algorithm using a variable  preconditioner.  In FGMRES the
639 search  directions  are  preconditioned  whereas  in GMRESR  the  residuals  are
640 preconditioned. However,  in practice, good  preconditioners are those  based on
641 direct methods,  as ILU preconditioners, which  are not easy  to parallelize and
642 suffer from the scalability problems on large clusters of thousands of cores.
643
644 Recently,  communication-avoiding  methods have  been  developed  to reduce  the
645 communication overheads in Krylov subspace iterative solvers. On modern computer
646 architectures,   communications  between   processors  are   much   slower  than
647 floating-point        arithmetic       operations        on        a       given
648 processor.   Communication-avoiding  techniques  reduce   either  communications
649 between processors or data movements  between levels of the memory hierarchy, by
650 reformulating the communication-bound kernels (more frequently SpMV kernels) and
651 the orthogonalization  operations within the Krylov  iterative solver. Different
652 works have  studied the communication-avoiding techniques for  the GMRES method,
653 so-called     CA-GMRES,     on     multicore    processors     and     multi-GPU
654 machines~\cite{Mohiyuddin2009,Hoemmen2010,Yamazaki2014}.
655
656 Compared  to all these  works and  to all  the other  works on  Krylov iterative
657 methods,  the originality of  our work  is to  build a  second iteration  over a
658 Krylov  iterative method  and to  minimize  the residuals  with a  least-squares
659 method after a given number of outer iterations.
660
661 %%%*********************************************************
662 %%%*********************************************************
663
664
665
666 %%%*********************************************************
667 %%%*********************************************************
668 \section{TSIRM: Two-stage iteration with least-squares residuals minimization algorithm}
669 \label{sec:03}
670 A two-stage  algorithm is proposed to  solve large sparse linear  systems of the
671 form  $Ax=b$,  where  $A\in\mathbb{R}^{n\times   n}$  is  a  sparse  and  square
672 nonsingular   matrix,   $x\in\mathbb{R}^n$   is   the   solution   vector,   and
673 $b\in\mathbb{R}^n$  is  the  right-hand  side.   As  explained  previously,  the
674 algorithm is implemented  as an inner-outer iteration solver  based on iterative
675 Krylov  methods.  The  main key-points  of  the  proposed  solver are  given  in
676 Algorithm~\ref{algo:01}.  It can be summarized as follows: the inner solver is a
677 Krylov  based one.  In order  to accelerate  its convergence,  the  outer solver
678 periodically applies  a least-squares minimization on the  residuals computed by
679 the inner one.
680
681 At each  outer iteration,  the sparse linear  system $Ax=b$ is  partially solved
682 using only $m$ iterations of  an iterative method, this latter being initialized
683 with the last obtained approximation.  The GMRES method~\cite{Saad86}, or any of
684 its variants, can potentially be used as inner solver. The current approximation
685 of the Krylov method  is then stored inside a $n \times  s$ matrix $S$, which is
686 composed by  the $s$  last solutions  that have been  computed during  the inner
687 iterations phase.   In the remainder,  the $i$-th column  vector of $S$  will be
688 denoted by $S_i$.
689
690 At each $s$ iterations, another kind of minimization step is applied in order to
691 compute  a new  solution $x$.  For that,  the previous  residuals of  $Ax=b$ are
692 computed  by  the  inner  iterations  with $(b-AS)$.  The  minimization  of  the
693 residuals is obtained by
694 \begin{equation}
695    \underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2
696 \label{eq:01}
697 \end{equation}
698 with $R=AS$. The new solution $x$ is then computed with $x=S\alpha$.
699
700
701 In practice, $R$ is a dense rectangular matrix belonging in $\mathbb{R}^{n\times
702   s}$,  with $s\ll  n$.   In order  to  minimize~\eqref{eq:01}, a  least-squares
703 method such  as CGLS ~\cite{Hestenes52}  or LSQR~\cite{Paige82} is  used. Remark
704 that  these methods  are  more appropriate  than  a single  direct  method in  a
705 parallel context. CGLS has recently been used to improve the performance of multisplitting algorithms \cite{cz15:ij}.
706
707
708
709 \begin{algorithm}[t]
710 \caption{TSIRM}
711 \begin{algorithmic}[1]
712   \Input $A$ (sparse matrix), $b$ (right-hand side)
713   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
714   \State Set the initial guess $x_0$
715   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence ($error<\epsilon_{tsirm}$)} \label{algo:conv}
716     \State  $[x_k,error]=Solve(A,b,x_{k-1},max\_iter_{kryl})$   \label{algo:solve}
717     \State $S_{k \mod s}=x_k$ \label{algo:store} \Comment{update column ($k \mod s$) of $S$}
718     \If {$k \mod s=0$ {\bf and} $error>\epsilon_{kryl}$}
719       \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix} \label{algo:matrix_mul}
720             \State $\alpha=Least\_Squares(R,b,max\_iter_{ls})$ \label{algo:}
721       \State $x_k=S\alpha$  \Comment{compute new solution}
722     \EndIf
723   \EndFor
724 \end{algorithmic}
725 \label{algo:01}
726 \end{algorithm}
727
728 Algorithm~\ref{algo:01} summarizes  the principle  of the proposed  method.  The
729 outer iteration is inside the \emph{for} loop. Line~\ref{algo:solve}, the Krylov
730 method is called  for a maximum of $max\_iter_{kryl}$  iterations.  In practice,
731 we suggest to  set this parameter equal to the restart  number in the GMRES-like
732 method. Moreover,  a tolerance  threshold must be  specified for the  solver. In
733 practice, this threshold must be  much smaller than the convergence threshold of
734 the TSIRM  algorithm (\emph{i.e.},  $\epsilon_{tsirm}$).  We also  consider that
735 after  the call of  the $Solve$  function, we  obtain the  vector $x_k$  and the
736 $error$, which is defined by $||Ax_k-b||_2$.
737
738   Line~\ref{algo:store},  $S_{k \mod  s}=x_k$ consists  in copying  the solution
739   $x_k$ into the  column $k \mod s$ of $S$.  After  the minimization, the matrix
740   $S$ is reused with the new values of the residuals.  To solve the minimization
741   problem, an  iterative method is used.  Two parameters are  required for that:
742   the maximum number of iterations  ($max\_iter_{ls}$) and the threshold to stop
743   the method ($\epsilon_{ls}$).
744
745 Let us summarize the most important parameters of TSIRM:
746 \begin{itemize}
747 \item $\epsilon_{tsirm}$: the threshold that stops the TSIRM method;
748 \item $max\_iter_{kryl}$: the maximum number of iterations for the Krylov method;
749 \item $s$: the number of outer iterations before applying the minimization step;
750 \item $max\_iter_{ls}$: the maximum number of iterations for the iterative least-squares method;
751 \item $\epsilon_{ls}$: the threshold used to stop the least-squares method.
752 \end{itemize}
753
754
755 The  parallelization  of  TSIRM  relies   on  the  parallelization  of  all  its
756 parts. More  precisely, except the least-squares  step, all the  other parts are
757 obvious to  achieve out in parallel. In  order to develop a  parallel version of
758 our   code,   we   have   chosen   to   use   PETSc~\cite{petsc-web-page}.    In
759 line~\ref{algo:matrix_mul}, the matrix-matrix  multiplication is implemented and
760 efficient since the matrix $A$ is sparse and the matrix $S$ contains few columns
761 in  practice.  As  explained  previously,  at  least  two  methods  seem  to  be
762 interesting  to solve  the least-squares  minimization,  the CGLS  and the  LSQR
763 methods.
764
765 In Algorithm~\ref{algo:02} we remind the CGLS algorithm. The LSQR method follows
766 more or less the  same principle but it takes more place,  so we briefly explain
767 the parallelization of CGLS which is  similar to LSQR.
768
769 \begin{algorithm}[t]
770 \caption{CGLS}
771 \begin{algorithmic}[1]
772   \Input $A$ (matrix), $b$ (right-hand side)
773   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
774   \State Let $x_0$ be an initial approximation
775   \State $r_0=b-Ax_0$
776   \State $p_1=A^Tr_0$
777   \State $s_0=p_1$
778   \State $\gamma=||s_0||^2_2$
779   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence ($\gamma<\epsilon_{ls}$)} \label{algo2:conv}
780     \State $q_k=Ap_k$
781     \State $\alpha_k=\gamma/||q_k||^2_2$
782     \State $x_k=x_{k-1}+\alpha_kp_k$
783     \State $r_k=r_{k-1}-\alpha_kq_k$
784     \State $s_k=A^Tr_k$
785     \State $\gamma_{old}=\gamma$
786     \State $\gamma=||s_k||^2_2$
787     \State $\beta_k=\gamma/\gamma_{old}$
788     \State $p_{k+1}=s_k+\beta_kp_k$
789   \EndFor
790 \end{algorithmic}
791 \label{algo:02}
792 \end{algorithm}
793
794
795 In each iteration  of CGLS, there are two  matrix-vector multiplications and some
796 classical  operations:  dot  product,   norm,  multiplication,  and  addition  on
797 vectors.  All  these  operations are  easy  to  implement  in PETSc  or  similar
798 environment.  It should be noticed that LSQR follows the same principle, it is a
799 little bit longer but it performs more or less the same operations.
800
801
802 %%%*********************************************************
803 %%%*********************************************************
804
805 \section{Convergence results}
806 \label{sec:04}
807
808
809 We can now claim that,
810 \begin{proposition}
811 \label{prop:saad}
812 If $A$ is either a definite positive or a positive matrix and GMRES($m$) is used as a solver, then the TSIRM algorithm is convergent. 
813
814 Furthermore, let $r_k$ be the
815 $k$-th residue of TSIRM, then
816 we have the following boundaries:
817 \begin{itemize}
818 \item when $A$ is positive:
819 \begin{equation}
820 ||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0|| ,
821 \end{equation}
822 where $M$ is the symmetric part of $A$, $\alpha = \lambda_{min}(M)^2$ and $\beta = \lambda_{max}(A^T A)$;
823 \item when $A$ is positive definite:
824 \begin{equation}
825 \|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_0\|.
826 \end{equation}
827 \end{itemize}
828 %In the general case, where A is not positive definite, we have
829 %$\|r_n\| \le \inf_{p \in P_n} \|p(A)\| \le \kappa_2(V) \inf_{p \in P_n} \max_{\lambda \in \sigma(A)} |p(\lambda)| \|r_0\|, .$
830 \end{proposition}
831
832 \begin{proof}
833 Let us first recall that the residue is under control when considering the GMRES algorithm on a positive definite matrix, and it is bounded as follows:
834 \begin{equation*}
835 \|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{k/2} \|r_0\| .
836 \end{equation*}
837 Additionally, when $A$ is a positive real matrix with symmetric part $M$, then the residual norm provided at the $m$-th step of GMRES satisfies:
838 \begin{equation*}
839 ||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_0|| ,
840 \end{equation*}
841 where $\alpha$ and $\beta$ are defined as in Proposition~\ref{prop:saad}, which proves 
842 the convergence of GMRES($m$) for all $m$ under such assumptions regarding $A$.
843 These well-known results can be found, \emph{e.g.}, in~\cite{Saad86}.
844
845 We will now prove by a mathematical induction that, for each $k \in \mathbb{N}^\ast$, 
846 $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{mk}{2}} ||r_0||$ when $A$ is positive, and $\|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_0\|$ when $A$ is positive definite.
847
848 The base case is obvious, as for $k=1$, the TSIRM algorithm simply consists in applying GMRES($m$) once, leading to a new residual $r_1$ that follows the inductive hypothesis due to the results recalled above.
849
850 Suppose now that the claim holds for all $m=1, 2, \hdots, k-1$, that is, $\forall m \in \{1,2,\hdots, k-1\}$, $||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$ in the positive case, and $\|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_0\|$ in the definite positive one.
851 We will show that the statement holds too for $r_k$. Two situations can occur:
852 \begin{itemize}
853 \item If $k \not\equiv 0 ~(\textrm{mod}\ m)$, then the TSIRM algorithm consists in executing GMRES once. In that case and by using the inductive hypothesis, we obtain either $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$ if $A$ is positive, or $\|r_k\| \leqslant \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{m/2} \|r_{k-1}\|$ $\leqslant$ $\left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_{0}\|$ in the positive definite case.
854 \item Else, the TSIRM algorithm consists in two stages: a first GMRES($m$) execution leads to a temporary $x_k$ whose residue satisfies:
855 \begin{itemize}
856 \item $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$ in the positive case, 
857 \item $\|r_k\| \leqslant \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{m/2} \|r_{k-1}\|$ $\leqslant$ $\left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_{0}\|$ in the positive definite one,
858 \end{itemize}
859 and a least squares resolution.
860 Let $\operatorname{span}(S) = \left \{ {\sum_{i=1}^k \lambda_i v_i \Big| k \in \mathbb{N}, v_i \in S, \lambda _i \in \mathbb{R}} \right \}$ be the linear span of a set of real vectors $S$. So,\\
861 $\min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-R\alpha ||_2 = \min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-AS\alpha ||_2$
862
863 $\begin{array}{ll}
864 & = \min_{x \in span\left(S_{k-s+1}, S_{k-s+2}, \hdots, S_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\
865 & = \min_{x \in span\left(x_{k-s+1}, x_{k-s}+2, \hdots, x_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\
866 & \leqslant \min_{x \in span\left( x_{k} \right)} ||b-Ax ||_2\\
867 & \leqslant \min_{\lambda \in \mathbb{R}} ||b-\lambda Ax_{k} ||_2\\
868 & \leqslant ||b-Ax_{k}||_2\\
869 & = ||r_k||_2\\
870 & \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||, \textrm{ if $A$ is positive,}\\
871 & \leqslant \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_{0}\|, \textrm{ if $A$ is}\\
872 & \textrm{positive definite,} 
873 \end{array}$
874 \end{itemize}
875 which concludes the induction and the proof.
876 \end{proof}
877
878 Remark that a similar proposition can be formulated at each time
879 the given solver satisfies an inequality of the form $||r_n|| \leqslant \mu^n ||r_0||$,
880 with $|\mu|<1$. Furthermore, it is \emph{a priori} possible in some particular cases 
881 regarding $A$, 
882 that the proposed TSIRM converges while the GMRES($m$) does not.
883
884 %%%*********************************************************
885 %%%*********************************************************
886 \section{Experiments using PETSc}
887 \label{sec:05}
888
889
890 In order to see the behavior of our approach when considering only one processor,
891 a  first  comparison  with  GMRES  or  FGMRES and  the  new  algorithm  detailed
892 previously  has been  experimented.  Matrices  that  have been  used with  their
893 characteristics (names, fields, rows,  and nonzero coefficients) are detailed in
894 Table~\ref{tab:01}.  These  latter, which are  real-world applications matrices,
895 have    been   extracted    from   the    Davis   collection,    University   of
896 Florida~\cite{Dav97}.
897
898 \begin{table}[htbp]
899 \begin{center}
900 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|} 
901 \hline
902 Matrix name              & Field             &\# Rows   & \# Nonzeros   \\\hline \hline
903 crashbasis         & Optimization      & 160,000  &  1,750,416  \\
904 parabolic\_fem     & Comput. fluid dynamics  & 525,825 & 2,100,225 \\
905 epb3               & Thermal problem   & 84,617  & 463,625  \\
906 atmosmodj          & Comput. fluid dynamics  & 1,270,432 & 8,814,880 \\
907 bfwa398            & Electromagnetics pb & 398 & 3,678 \\
908 torso3             & 2D/3D problem & 259,156 & 4,429,042 \\
909 \hline
910
911 \end{tabular}
912 \caption{Main characteristics of the sparse matrices chosen from the Davis collection}
913 \label{tab:01}
914 \end{center}
915 \end{table}
916 Chosen parameters  are detailed below.   
917 We have  stopped  the  GMRES every  30
918 iterations (\emph{i.e.}, $max\_iter_{kryl}=30$), which is the default 
919 setting of GMRES restart parameter.  The parameter $s$ has been set to 8. CGLS 
920  minimizes  the   least-squares  problem   with  parameters
921 $\epsilon_{ls}=1e-40$ and $max\_iter_{ls}=20$.  The external precision is set to
922 $\epsilon_{tsirm}=1e-10$.  These  experiments have been performed  on an Intel(R)
923 Core(TM) i7-3630QM CPU @ 2.40GHz with the 3.5.1 version  of PETSc.
924
925
926 Experiments comparing 
927 a GMRES variant with TSIRM in the resolution of linear systems are given in  Table~\ref{tab:02}. 
928 The  second column describes whether GMRES or FGMRES has been used for linear systems solving.  
929 Different preconditioners  have been used according to the matrices.  With  TSIRM, the  same
930 solver and the  same preconditioner are used.  This table  shows that TSIRM can
931 drastically reduce  the number of iterations needed to reach the  convergence, when the
932 number of iterations for  the normal GMRES is more or less  greater than 500. In
933 fact this also depends on two parameters: the number of iterations before stopping GMRES
934 and the number of iterations to perform the minimization.
935
936
937 \begin{table}[htbp]
938 \begin{center}
939 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|r|} 
940 \hline
941
942  \multirow{2}{*}{Matrix name}  & Solver /   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} \\ 
943 \cline{3-6}
944        &  precond             & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter.  \\\hline \hline
945
946 crashbasis         & gmres / none             &  15.65     & 518  &  14.12 & 450  \\
947 parabolic\_fem     & gmres / ilu           & 1009.94   & 7573 & 401.52 & 2970 \\
948 epb3               & fgmres / sor             &  8.67     & 600  &  8.21 & 540  \\
949 atmosmodj          &  fgmres / sor & 104.23  & 451 & 88.97 & 366  \\
950 bfwa398            & gmres / none  & 1.42 & 9612 & 0.28 & 1650 \\
951 torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\
952 \hline
953
954 \end{tabular}
955 \caption{Comparison between sequential standalone (F)GMRES and TSIRM with (F)GMRES (time in seconds).}
956 \label{tab:02}
957 \end{center}
958 \end{table}
959
960
961
962
963
964 In order to perform larger experiments, we have tested some example applications
965 of  PETSc. These  applications are  available in  the \emph{ksp}  part,  which is
966 suited for scalable linear equations solvers:
967 \begin{itemize}
968 \item ex15  is an example  that solves in  parallel an operator using  a finite
969   difference  scheme.   The  diagonal  is  equal to  4  and  4  extra-diagonals
970   representing the neighbors in each directions  are equal to -1. This example is
971   used  in many  physical phenomena, for  example, heat  and fluid  flow, wave
972   propagation, etc.
973 \item ex54 is another example based on a 2D problem discretized with quadrilateral
974   finite elements. In this example, the user can define the scaling of material
975   coefficient in embedded circle called $\alpha$.
976 \end{itemize}
977 For more technical details on these applications, interested readers are invited
978 to read  the codes  available in  the PETSc sources.   These problems  have been
979 chosen because they are scalable with many  cores.
980
981 In  the  following,   larger  experiments  are  described  on   two  large  scale
982 architectures: Curie  and Juqueen.   Both these architectures  are supercomputers
983 respectively  composed  of  80,640  cores   for  Curie  and  458,752  cores  for
984 Juqueen. Those  machines are respectively hosted  by GENCI in  France and Jülich
985 Supercomputing Center in Germany.  They belong with other similar architectures
986 to the  PRACE initiative (Partnership  for Advanced Computing  in Europe), which
987 aims  at  proposing  high  performance supercomputing  architecture  to  enhance
988 research  in  Europe.  The  Curie  architecture is  composed  of  Intel  E5-2680
989 processors  at 2.7  GHz with  2Gb memory  by core.  The Juqueen  architecture,
990 for its part, is
991 composed by IBM PowerPC  A2 at  1.6 GHz with  1Gb memory  per core.  Both those
992 architectures are equipped with a dedicated high speed network.
993
994
995 In  many situations, using  preconditioners is  essential in  order to  find the
996 solution of a linear system.  There are many preconditioners available in PETSc.
997 However, for parallel applications, all  the preconditioners based on matrix factorization
998 are  not  available. In  our  experiments, we  have  tested  different kinds  of
999 preconditioners, but  as it is  not the subject  of this paper, we  will not
1000 present results with many preconditioners. In  practice, we have chosen to use a
1001 multigrid (mg)  and successive  over-relaxation (sor). For  further details  on the
1002 preconditioners in PETSc, readers are referred to~\cite{petsc-web-page}.
1003
1004
1005
1006 \begin{table*}[htbp]
1007 \begin{center}
1008 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
1009 \hline
1010
1011   nb. cores & precond   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM LSQR} & best gain \\ 
1012 \cline{3-8}
1013              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
1014   2,048      & mg                    & 403.49   & 18,210    & 73.89  & 3,060   & 77.84  & 3,270  & 5.46 \\
1015   2,048      & sor                   & 745.37   & 57,060    & 87.31  & 6,150   & 104.21 & 7,230  & 8.53 \\
1016   4,096      & mg                    & 562.25   & 25,170    & 97.23  & 3,990   & 89.71  & 3,630  & 6.27 \\
1017   4,096      & sor                   & 912.12   & 70,194    & 145.57 & 9,750   & 168.97 & 10,980 & 6.26 \\
1018   8,192      & mg                    & 917.02   & 40,290    & 148.81 & 5,730   & 143.03 & 5,280  & 6.41 \\
1019   8,192      & sor                   & 1,404.53 & 106,530   & 212.55 & 12,990  & 180.97 & 10,470 & 7.76 \\
1020   16,384     & mg                    & 1,430.56 & 63,930    & 237.17 & 8,310   & 244.26 & 7,950  & 6.03 \\
1021   16,384     & sor                   & 2,852.14 & 216,240   & 418.46 & 21,690  & 505.26 & 23,970 & 6.82 \\
1022 \hline
1023
1024 \end{tabular}
1025 \caption{Comparison of FGMRES and TSIRM with FGMRES for example ex15 of PETSc with two preconditioners (mg and sor) having 25,000 components per core on Juqueen ($\epsilon_{tsirm}=1e-3$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}
1026 \label{tab:03}
1027 \end{center}
1028 \end{table*}
1029
1030 Table~\ref{tab:03} shows  the execution  times and the  number of  iterations of
1031 example ex15  of PETSc on the  Juqueen architecture. Different  numbers of cores
1032 are studied  ranging from 2,048 up-to  16,383 with the  two preconditioners {\it
1033   mg}  and {\it  sor}.   For those  experiments,  the number  of components  (or
1034 unknowns  of  the problems)  per  core  is fixed  at  25,000,  also called  weak
1035 scaling. This number  can seem relatively small. In  fact, for some applications
1036 that  need a  lot of  memory, the  number of  components per  processor requires
1037 sometimes to  be small. Other parameters  for this application  are described in
1038 the legend of this table.
1039
1040
1041
1042 In  Table~\ref{tab:03},  we  can  notice   that  TSIRM  is  always  faster  than
1043 FGMRES. The last  column shows the ratio between FGMRES and  the best version of
1044 TSIRM according  to the minimization  procedure: CGLS or  LSQR. Even if  we have
1045 computed the worst case between CGLS and  LSQR, it is clear that TSIRM is always
1046 faster than  FGMRES. For  this example, the  multigrid preconditioner  is faster
1047 than SOR. The gain between TSIRM and  FGMRES is more or less similar for the two
1048 preconditioners.  Looking at the number  of iterations to reach the convergence,
1049 it is  obvious that TSIRM allows the  reduction of the number  of iterations. It
1050 should be noticed  that for TSIRM, in those experiments,  only the iterations of
1051 the Krylov solver  are taken into account.  Iterations of CGLS  or LSQR were not
1052 recorded  but they  are  time-consuming.  In  general, each  $max\_iter_{kryl}*s$
1053 iterations which corresponds to 30*12, there are $max\_iter_{ls}$ iterations for
1054 the least-squares method which corresponds to 15.
1055
1056 \begin{figure}[htbp]
1057 \centering
1058   \includegraphics[width=0.5\textwidth]{nb_iter_sec_ex15_juqueen}
1059 \caption{Number of iterations per second with ex15 and the same parameters as in Table~\ref{tab:03} (weak scaling)}
1060 \label{fig:01}
1061 \end{figure}
1062
1063
1064 In  Figure~\ref{fig:01}, the number  of iterations  per second  corresponding to
1065 Table~\ref{tab:03}  is  displayed.   It  can  be  noticed  that  the  number  of
1066 iterations per second of FMGRES is constant whereas it decreases with TSIRM with
1067 both preconditioners. This can be explained  by the fact that when the number of
1068 cores increases, the time for the least-squares minimization step also increases
1069 but, generally, when the number of  cores increases, the number of iterations to
1070 reach the threshold  also increases, and, in that case,  TSIRM is more efficient
1071 to reduce  the number of iterations. So,  the overall benefit of  using TSIRM is
1072 interesting.
1073
1074
1075
1076
1077
1078
1079 \begin{table*}[htbp]
1080 \begin{center}
1081 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
1082 \hline
1083
1084   nb. cores & $\epsilon_{tsirm}$  & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM LSQR} & best gain \\ 
1085 \cline{3-8}
1086              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
1087   2,048      & 8e-5                  & 108.88 & 16,560  & 23.06  &  3,630  & 22.79  & 3,630   & 4.77 \\
1088   2,048      & 6e-5                  & 194.01 & 30,270  & 35.50  &  5,430  & 27.74  & 4,350   & 6.99 \\
1089   4,096      & 7e-5                  & 160.59 & 22,530  & 35.15  &  5,130  & 29.21  & 4,350   & 5.49 \\
1090   4,096      & 6e-5                  & 249.27 & 35,520  & 52.13  &  7,950  & 39.24  & 5,790   & 6.35 \\
1091   8,192      & 6e-5                  & 149.54 & 17,280  & 28.68  &  3,810  & 29.05  & 3,990  & 5.21 \\
1092   8,192      & 5e-5                  & 785.04 & 109,590 & 76.07  &  10,470  & 69.42 & 9,030  & 11.30 \\
1093   16,384     & 4e-5                  & 718.61 & 86,400 & 98.98  &  10,830  & 131.86  & 14,790  & 7.26 \\
1094 \hline
1095
1096 \end{tabular}
1097 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM with FGMRES algorithms for ex54 of Petsc (both with the MG preconditioner) with 25,000 components per core on Curie ($max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}
1098 \label{tab:04}
1099 \end{center}
1100 \end{table*}
1101
1102
1103 In  Table~\ref{tab:04},  some  experiments   with  example  ex54  on  the  Curie
1104 architecture are reported.  For this  application, we fixed $\alpha=0.6$.  As it
1105 can be seen in that table, the size of the problem has a strong influence on the
1106 number of iterations to reach the  convergence. That is why we have preferred to
1107 change the threshold.  If we set  it to $1e-3$ as with the previous application,
1108 only one iteration is necessary  to reach the convergence. So Table~\ref{tab:04}
1109 shows the  results of  different executions with  different number of  cores and
1110 different thresholds. As with the previous example, we can observe that TSIRM is
1111 faster than  FGMRES. The ratio greatly  depends on the number  of iterations for
1112 FMGRES to reach the threshold. The greater the number of iterations to reach the
1113 convergence is, the  better the ratio between our algorithm  and FMGRES is. This
1114 experiment is  also a  weak scaling with  approximately $25,000$  components per
1115 core. It can also  be observed that the difference between CGLS  and LSQR is not
1116 significant. Both can be good but it seems not possible to know in advance which
1117 one will be the best.
1118
1119 Table~\ref{tab:05} shows  a strong scaling  experiment with example ex54  on the
1120 Curie  architecture. So,  in  this case,  the  number of  unknowns  is fixed  at
1121 $204,919,225$ and the number of cores ranges from $512$ to $8192$ with the power
1122 of two.  The  threshold is fixed at $5e-5$ and only  the $mg$ preconditioner has
1123 been  tested. Here  again  we can  see that  TSIRM  is faster  than FGMRES.  The
1124 efficiency of each algorithm is reported.  It can be noticed that the efficiency
1125 of FGMRES is  better than the TSIRM  one except with $8,192$ cores  and that its
1126 efficiency is  greater than one  whereas the efficiency  of TSIRM is  lower than
1127 one.  Nevertheless,  the ratio  of TSIRM with  any version of  the least-squares
1128 method is  always faster.  With $8,192$  cores when the number  of iterations is
1129 far  more important  for  FGMRES,  we can  see  that it  is  only slightly  more
1130 important for TSIRM.
1131
1132 In Figure~\ref{fig:02}  we report  the number of  iterations per second  for the
1133 experiments  reported in  Table~\ref{tab:05}.  This  figure highlights  that the
1134 number of iterations  per second is more  or less the same for  FGMRES and TSIRM
1135 with a little advantage for FGMRES. It  can be explained by the fact that, as we
1136 have previously  explained, the  iterations of the  least-squares steps  are not
1137 taken into account with TSIRM.
1138
1139 \begin{table*}[htbp]
1140 \begin{center}
1141 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
1142 \hline
1143
1144   nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM LSQR} & best gain & \multicolumn{3}{c|}{efficiency} \\ 
1145 \cline{2-7} \cline{9-11}
1146                     & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. &   & FGMRES & TS CGLS & TS LSQR\\\hline \hline
1147    512              & 3,969.69 & 33,120 & 709.57 & 5,790  & 622.76 & 5,070  & 6.37  &   1    &    1    &     1     \\
1148    1024             & 1,530.06  & 25,860 & 290.95 & 4,830  & 307.71 & 5,070 & 5.25  &  1.30  &    1.21  &   1.01     \\
1149    2048             & 919.62    & 31,470 & 237.52 & 8,040  & 194.22 & 6,510 & 4.73  & 1.08   &    .75   &   .80\\
1150    4096             & 405.60    & 28,380 & 111.67 & 7,590  & 91.72  & 6,510 & 4.42  & 1.22   &  .79     &   .84 \\
1151    8192             & 785.04   & 109,590 & 76.07  & 10,470 & 69.42 & 9,030  & 11.30 &   .32  &   .58    &  .56 \\
1152
1153 \hline
1154
1155 \end{tabular}
1156 \caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex54 of PETSc (both with the MG preconditioner) with 204,919,225 components on Curie with different number of cores ($\epsilon_{tsirm}=5e-5$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}
1157 \label{tab:05}
1158 \end{center}
1159 \end{table*}
1160
1161 \begin{figure}[htbp]
1162 \centering
1163   \includegraphics[width=0.5\textwidth]{nb_iter_sec_ex54_curie}
1164 \caption{Number of iterations per second with ex54 and the same parameters as in Table~\ref{tab:05} (strong scaling)}
1165 \label{fig:02}
1166 \end{figure}
1167
1168
1169 Concerning the  experiments some  other remarks are  interesting.
1170 \begin{itemize}
1171 \item We have tested other examples  of PETSc (ex29, ex45, ex49).  For all these
1172   examples,  we have also  obtained similar  gains between  GMRES and  TSIRM but
1173   those  examples are  not scalable  with many  cores. In  general, we  had some
1174   problems with more than $4,096$ cores.
1175 \item We have tested many iterative  solvers available in PETSc.  In fact, it is
1176   possible to use most of them with TSIRM. From our point of view, the condition
1177   to  use  a  solver inside  TSIRM  is  that  the  solver  must have  a  restart
1178   feature. More precisely,  the solver must support to  be stopped and restarted
1179   without decreasing its convergence. That is  why with GMRES we stop it when it
1180   is  naturally restarted (\emph{i.e.}   with $m$  the restart  parameter).  The
1181   Conjugate Gradient (CG) and all its variants do not have ``restarted'' version
1182   in PETSc,  so they are not efficient.   They will converge with  TSIRM but not
1183   quickly because  if we  compare a  normal CG with  a CG  which is  stopped and
1184   restarted every  16 iterations (for example),  the normal CG will  be far more
1185   efficient.   Some  restarted  CG or  CG  variant  versions  exist and  may  be
1186   interesting to study in future works.
1187 \end{itemize}
1188 %%%*********************************************************
1189 %%%*********************************************************
1190
1191
1192
1193 %%%*********************************************************
1194 %%%*********************************************************
1195 \section{Conclusion}
1196 \label{sec:06}
1197 %The conclusion goes here. this is more of the conclusion
1198 %%%*********************************************************
1199 %%%*********************************************************
1200
1201 A new two-stage iterative  algorithm TSIRM has been proposed in this article,
1202 in order to accelerate the convergence of Krylov iterative  methods.
1203 Our TSIRM proposal acts as a merger between Krylov based solvers and
1204 a least-squares minimization step.
1205 The convergence of the method has been proven in some situations, while 
1206 experiments up to 16,394 cores have been led to verify that TSIRM runs
1207 5 or  7 times  faster than GMRES.
1208
1209
1210 For  future  work, the  authors'  intention is  to  investigate  other kinds  of
1211 matrices, problems, and  inner solvers. In particular, the possibility 
1212 to obtain a convergence of TSIRM in situations where the GMRES is divergent will be
1213 investigated. The influence of  all parameters must be
1214 tested too, while other methods to minimize the residuals must be regarded.  The
1215 number of outer  iterations to minimize should become  adaptive to improve the
1216 overall performances of the proposal.   Finally, this solver will be implemented
1217 inside PETSc, which would be of interest as it would  allows us to test
1218 all the non-linear  examples and compare our algorithm  with the other algorithm
1219 implemented in PETSc.
1220
1221
1222 % conference papers do not normally have an appendix
1223
1224
1225
1226 % use section* for acknowledgement
1227 %%%*********************************************************
1228 %%%*********************************************************
1229 \section*{Acknowledgment}
1230 This  paper  is   partially  funded  by  the  Labex   ACTION  program  (contract
1231 ANR-11-LABX-01-01).  We  acknowledge PRACE for  awarding us access  to resources
1232 Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
1233
1234
1235
1236 % trigger a \newpage just before the given reference
1237 % number - used to balance the columns on the last page
1238 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1239 % the document is modified later
1240 %\IEEEtriggeratref{8}
1241 % The "triggered" command can be changed if desired:
1242 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1243
1244 % references section
1245
1246 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1247 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1248 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
1249 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1250 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1251 \bibliographystyle{IEEEtran}
1252 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1253 \bibliography{biblio}
1254 %
1255 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1256 % set second argument of \begin to the number of references
1257 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1258 %% \begin{thebibliography}{1}
1259
1260 %% \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.
1261
1262 %% \bibitem{saad96} Y.~Saad, \emph{Iterative Methods for Sparse Linear Systems}, PWS Publishing, New York, 1996.
1263
1264 %% \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.
1265
1266 %% \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.
1267 %% \end{thebibliography}
1268
1269
1270
1271
1272 % that's all folks
1273 \end{document}