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

Private GIT Repository
new results
[GMRES2stage.git] / paper.tex
index 381954b091c64672433989bdcdb00a76020f877c..c559dda03cd9b5b228f03dbdc0fcc82e10248f45 100644 (file)
--- a/paper.tex
+++ b/paper.tex
 
 \usepackage{algorithm}
 \usepackage{algpseudocode}
+\usepackage{amsmath}
+\usepackage{amssymb}
+\usepackage{multirow}
 
 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
 %
 % paper title
 % can use linebreaks \\ within to get better formatting as desired
-\title{A Krylov two-stage algorithm to solve large sparse linear systems}
+\title{TSARM: A Two-Stage Algorithm with least-square Residual Minimization to solve large sparse linear systems}
 %où
 %\title{A two-stage algorithm with error minimization to solve large sparse linear systems}
 %où
 %\title{???}
 
 
+
+
+
 % author names and affiliations
 % use a multiple column layout for up to two different
 % affiliations
 
-\author{\IEEEauthorblockN{Rapha\"el Couturier}
-\IEEEauthorblockA{Femto-ST Institute - DISC Department\\
-Universit\'e de Franche-Comt\'e, IUT de Belfort-Montb\'eliard\\
-19 avenue de Mar\'echal Juin, BP 527 \\
-90016 Belfort Cedex, France\\
-Email: raphael.couturier@univ-fcomte.fr}
-\and
-\IEEEauthorblockN{Lilia Ziane Khodja}
-\IEEEauthorblockA{Centre de Recherche INRIA Bordeaux Sud-Ouest\\
-200 avenue de la Vieille Tour\\
-33405 Talence Cedex, France\\
+\author{\IEEEauthorblockN{Rapha\"el Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Lilia Ziane Khodja \IEEEauthorrefmark{2} and Christophe Guyeux\IEEEauthorrefmark{1}}
+\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1} Femto-ST Institute, University of Franche Comte, France\\
+Email: \{raphael.couturier,christophe.guyeux\}@univ-fcomte.fr}
+\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2} INRIA Bordeaux Sud-Ouest, France\\
 Email: lilia.ziane@inria.fr}
 }
 
+
+
 % conference papers do not typically use \thanks and this command
 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
@@ -425,11 +426,20 @@ Email: lilia.ziane@inria.fr}
 
 
 \begin{abstract}
-%The abstract goes here. DO NOT USE SPECIAL CHARACTERS, SYMBOLS, OR MATH IN YOUR TITLE OR ABSTRACT.
+In  this paper  we propose  a  two stage  iterative method  which increases  the
+convergence of Krylov iterative methods,  typically those of GMRES variants. The
+principle of  our approach  is to  build an external  iteration over  the Krylov
+method  and to  save  the current  residual  frequently (for  example, for  each
+restart of GMRES). Then after a given number of outer iterations, a minimization
+step is applied on the matrix composed of the save residuals in order to compute
+a  better solution and  make a  new iteration  if necessary.  We prove  that our
+method  has the  same  convergence property  than  the inner  method used.  Some
+experiments using up  to 16,394 cores show that compared  to GMRES our algorithm
+can be around 7 times faster.
 \end{abstract}
 
 \begin{IEEEkeywords}
-Iterative Krylov methods; sparse linear systems; error minimization; PETSC; %à voir... 
+Iterative Krylov methods; sparse linear systems; error minimization; PETSc; %à voir... 
 \end{IEEEkeywords}
 
 
@@ -536,6 +546,47 @@ Iterative Krylov methods; sparse linear systems; error minimization; PETSC; %à
 % no \IEEEPARstart
 % You must have at least 2 lines in the paragraph with the drop letter
 % (should never be an issue)
+
+Iterative methods  became more attractive than  direct ones to  solve very large
+sparse  linear systems.  Iterative  methods  are more  effecient  in a  parallel
+context,  with  thousands  of  cores,  and  require  less  memory  and  arithmetic
+operations than direct  methods. A number of iterative  methods are proposed and
+adapted by many researchers and the increased need for solving very large sparse
+linear  systems  triggered the  development  of  efficient iterative  techniques
+suitable for the parallel processing.
+
+Most of the successful iterative methods currently available are based on Krylov
+subspaces which  consist in forming a  basis of a sequence  of successive matrix
+powers times an initial vector for example the residual. These methods are based
+on  orthogonality  of vectors  of  the Krylov  subspace  basis  to solve  linear
+systems.  The  most well-known iterative  Krylov subspace methods  are Conjugate
+Gradient method and GMRES method (generalized minimal residual).
+
+However,  iterative  methods suffer  from scalability  problems  on parallel
+computing  platforms  with many  processors  due  to  their need  for  reduction
+operations    and   collective    communications   to    perform   matrix-vector
+multiplications. The  communications on large  clusters with thousands  of cores
+and  large  sizes of  messages  can  significantly  affect the  performances  of
+iterative methods. In practice, Krylov subspace iteration methods are often used
+with preconditioners in order to increase their convergence and accelerate their
+performances.  However, most  of the  good preconditioners  are not  scalable on
+large clusters.
+
+In this  paper we propose a  two-stage algorithm based on  two nested iterations
+called inner-outer  iterations.  This algorithm  consists in solving  the sparse
+linear system iteratively  with a small number of  inner iterations and restarts
+the outer  step with a  new solution minimizing  some error functions  over some
+previous residuals. This algorithm is iterative and easy to parallelize on large
+clusters   and  the   minimization  technique   improves  its   convergence  and
+performances.
+
+The present paper is organized  as follows. In Section~\ref{sec:02} some related
+works are presented. Section~\ref{sec:03} presents our two-stage algorithm using
+a  least-square  residual   minimization.  Section~\ref{sec:04}  describes  some
+convergence results on this method.
+   Section~\ref{sec:05}  shows   some
+experimental results obtained on large  clusters of our algorithm using routines
+of PETSc toolkit.
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
@@ -544,6 +595,7 @@ Iterative Krylov methods; sparse linear systems; error minimization; PETSC; %à
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 \section{Related works}
+\label{sec:02} 
 %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.
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
@@ -553,35 +605,203 @@ Iterative Krylov methods; sparse linear systems; error minimization; PETSC; %à
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 \section{A Krylov two-stage algorithm}
-
-
-\begin{algorithm}[!h]
+\label{sec:03}
+A two-stage algorithm is proposed  to solve large  sparse linear systems  of the
+form  $Ax=b$,  where  $A\in\mathbb{R}^{n\times   n}$  is  a  sparse  and  square
+nonsingular   matrix,   $x\in\mathbb{R}^n$    is   the   solution   vector   and
+$b\in\mathbb{R}^n$ is  the right-hand side.  The algorithm is implemented  as an
+inner-outer iteration  solver based  on iterative Krylov  methods. The  main key
+points of our solver are given in Algorithm~\ref{algo:01}.
+
+In order to accelerate the convergence, the outer iteration is implemented as an
+iterative  Krylov method  which minimizes  some  error functions  over a  Krylov
+subspace~\cite{saad96}. At  each iteration, the  sparse linear system  $Ax=b$ is
+solved   iteratively    with   an   iterative   method,    for   example   GMRES
+method~\cite{saad86} or  some of its variants,  and the Krylov  subspace that we
+used is spanned by a basis  $S$ composed of successive solutions issued from the
+inner iteration
+\begin{equation}
+  S = \{x^1, x^2, \ldots, x^s\} \text{,~} s\leq n.
+\end{equation} 
+The advantage  of such a Krylov subspace  is that we neither  need an orthogonal
+basis nor  any synchronization  between processors to  generate this  basis. The
+algorithm  is periodically  restarted every  $s$ iterations  with a  new initial
+guess $x=S\alpha$ which minimizes the residual norm $\|b-Ax\|_2$ over the Krylov
+subspace spanned by  vectors of $S$, where $\alpha$ is a  solution of the normal
+equations
+\begin{equation}
+  R^TR\alpha = R^Tb,
+\end{equation}
+which is associated with the least-squares problem
+\begin{equation}
+   \underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2
+\label{eq:01}
+\end{equation}
+such  that $R=AS$  is a  dense rectangular  matrix in  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
+$s\ll n$,  and $R^T$ denotes  the transpose of  matrix $R$. We use  an iterative
+method   to  solve   the  least-squares   problem~(\ref{eq:01})  such   as  CGLS
+~\cite{hestenes52}  or LSQR~\cite{paige82}  which  are more  appropriate than  a
+direct method in the parallel context.
+
+\begin{algorithm}[t]
 \caption{A Krylov two-stage algorithm}
 \begin{algorithmic}[1]
-\Input $A$ (sparse matrix), $b$ (right-hand side)
-\Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
-\State Set the initial guess $x^0$
-\For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
-\State Solve iteratively $Ax^k=b$
-\State Add vector $x^k$ to Krylov basis $S$
-\If {$k$ mod $s=0$ {\bf and} not convergence}
-\State Compute dense matrix $R=AS$
-\State Solve least-squares problem $\|b-R\alpha\|_2$
-\State Compute minimizer $x^k=S\alpha$
-\State Reinitialize Krylov basis $S$
-\EndIf
-\EndFor
+  \Input $A$ (sparse matrix), $b$ (right-hand side)
+  \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
+  \State Set the initial guess $x^0$
+  \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence} \label{algo:conv}
+    \State Solve iteratively $Ax^k=b$  \label{algo:solve}
+    \State $S_{k~mod~s}=x^k$ 
+    \If {$k$ mod $s=0$ {\bf and} not convergence}
+      \State Compute dense matrix $R=AS$
+      \State Solve least-squares problem $\underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2$
+      \State Compute minimizer $x^k=S\alpha$
+    \EndIf
+  \EndFor
 \end{algorithmic}
 \label{algo:01}
 \end{algorithm}
+
+Operation $S_{k~  mod~ s}=x^k$ consists in  copying the residual  $x_k$ into the
+column $k~ mod~ s$ of the matrix  $S$. After the minimization, the matrix $S$ is
+reused with the new values of the residuals.
+
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
-
+\section{Convergence results}
+\label{sec:04}
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 \section{Experiments using petsc}
+\label{sec:05}
+
+
+In order to see the influence of our algorithm with only one processor, we first
+show  a comparison  with the  standard version  of GMRES  and our  algorithm. In
+table~\ref{tab:01},  we  show  the  matrices  we  have used  and  some  of  them
+characteristics. For all  the matrices, the name, the field,  the number of rows
+and the number of nonzero elements is given.
+
+\begin{table}
+\begin{center}
+\begin{tabular}{|c|c|r|r|r|} 
+\hline
+Matrix name              & Field             &\# Rows   & \# Nonzeros   \\\hline \hline
+crashbasis         & Optimization      & 160,000  &  1,750,416  \\
+parabolic\_fem     & Computational fluid dynamics  & 525,825 & 2,100,225 \\
+epb3               & Thermal problem   & 84,617  & 463,625  \\
+atmosmodj          & Computational fluid dynamics  & 1,270,432 & 8,814,880 \\
+bfwa398            & Electromagnetics problem & 398 & 3,678 \\
+torso3             & 2D/3D problem & 259,156 & 4,429,042 \\
+\hline
+
+\end{tabular}
+\caption{Main characteristics of the sparse matrices chosen from the Davis collection}
+\label{tab:01}
+\end{center}
+\end{table}
+
+The following  parameters have been chosen  for our experiments.   As by default
+the restart  of GMRES is performed every  30 iterations, we have  chosen to stop
+the     GMRES    every     30    iterations     (line     \ref{algo:solve}    in
+Algorithm~\ref{algo:01}).   $s$ is  set to  8. CGLS  is chosen  to  minimize the
+least-squares  problem.  Two  conditions  are  used to  stop  CGLS,  either  the
+precision is under $1e-40$ or the  number of iterations is greater to $20$.  The
+external   precision    is   set    to   $1e-10$   (line    \ref{algo:conv}   in
+Algorithm~\ref{algo:01}).  Those  experiments have been performed  on a Intel(R)
+Core(TM) i7-3630QM CPU @ 2.40GHz with the version 3.5.1 of PETSc.
+
+
+In  Table~\ref{tab:02}, some  experiments comparing  the solving  of  the linear
+systems obtained with the previous matrices  with a GMRES variant and with out 2
+stage algorithm are  given. In the second column, it can  be noticed that either
+gmres or fgmres is used to  solve the linear system.  According to the matrices,
+different preconditioner is  used.  With the 2 stage  algorithm, the same solver
+and  the same  preconditionner  is used.   This  Table shows  that  the 2  stage
+algorithm  can  drastically  reduce  the  number  of  iterations  to  reach  the
+convergence when the  number of iterations for the normal GMRES  is more or less
+greater than  500. In fact  this also depends  on tow parameters: the  number of
+iterations  to  stop  GMRES  and   the  number  of  iterations  to  perform  the
+minimization.
+
+
+\begin{table}
+\begin{center}
+\begin{tabular}{|c|c|r|r|r|r|} 
+\hline
+
+ \multirow{2}{*}{Matrix name}  & Solver /   & \multicolumn{2}{c|}{gmres variant} & \multicolumn{2}{c|}{2 stage CGLS} \\ 
+\cline{3-6}
+       &  precond             & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter.  \\\hline \hline
+
+crashbasis         & gmres / none             &  15.65     & 518  &  14.12 & 450  \\
+parabolic\_fem     & gmres / ilu           & 1009.94   & 7573 & 401.52 & 2970 \\
+epb3               & fgmres / sor             &  8.67     & 600  &  8.21 & 540  \\
+atmosmodj          &  fgmres / sor & 104.23  & 451 & 88.97 & 366  \\
+bfwa398            & gmres / none  & 1.42 & 9612 & 0.28 & 1650 \\
+torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\
+\hline
+
+\end{tabular}
+\caption{Comparison of (F)GMRES and 2 stage (F)GMRES algorithms in sequential with some matrices, time is expressed in seconds.}
+\label{tab:02}
+\end{center}
+\end{table}
+
+
+
+
+Larger experiments ....
+
+\begin{table*}
+\begin{center}
+\begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
+\hline
+
+  nb. cores & precond   & \multicolumn{2}{c|}{gmres variant} & \multicolumn{2}{c|}{2 stage CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{2 stage LSQR} & best gain \\ 
+\cline{3-8}
+             &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
+  2,048      & mg                    & 403.49   & 18,210    & 73.89  & 3,060   & 77.84  & 3,270  & 5.46 \\
+  2,048      & sor                   & 745.37   & 57,060    & 87.31  & 6,150   & 104.21 & 7,230  & 8.53 \\
+  4,096      & mg                    & 562.25   & 25,170    & 97.23  & 3,990   & 89.71  & 3,630  & 6.27 \\
+  4,096      & sor                   & 912.12   & 70,194    & 145.57 & 9,750   & 168.97 & 10,980 & 6.26 \\
+  8,192      & mg                    & 917.02   & 40,290    & 148.81 & 5,730   & 143.03 & 5,280  & 6.41 \\
+  8,192      & sor                   & 1,404.53 & 106,530   & 212.55 & 12,990  & 180.97 & 10,470 & 7.76 \\
+  16,384     & mg                    & 1,430.56 & 63,930    & 237.17 & 8,310   & 244.26 & 7,950  & 6.03 \\
+  16,384     & sor                   & 2,852.14 & 216,240   & 418.46 & 21,690  & 505.26 & 23,970 & 6.82 \\
+\hline
+
+\end{tabular}
+\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.}
+\label{tab:03}
+\end{center}
+\end{table*}
+
+
+\begin{table*}
+\begin{center}
+\begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
+\hline
+
+  nb. cores & threshold   & \multicolumn{2}{c|}{gmres variant} & \multicolumn{2}{c|}{2 stage CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{2 stage LSQR} & best gain \\ 
+\cline{3-8}
+             &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
+  2,048      & 8e-5                  & 108.88 & 16,560  & 23.06  &  3,630  & 22.79  & 3,630   & 4.77 \\
+  2,048      & 6e-5                  & 194.01 & 30,270  & 35.50  &  5,430  & 27.74  & 4,350   & 6.99 \\
+  4,096      & 7e-5                  & 160.59 & 22,530  & 35.15  &  5,130  & 29.21  & 4,350   & 5.49 \\
+  4,096      & 6e-5                  & 249.27 & 35,520  & 52.13  &  7,950  & 39.24  & 5,790   & 6.35 \\
+  8,192      & 6e-5                  & 149.54 & 17,280  & 28.68  &  3,810  & 29.05  & 3,990  & 5.21 \\
+  8,192      & 5e-5                  & 792.11 & 109,590 & 76.83  &  10,470  & 65.20  & 9,030  & 12.14 \\
+  16,384     & 4e-5                  & 718.61 & 86,400 & 98.98  &  10,830  & 131.86  & 14,790  & 7.26 \\
+\hline
+
+\end{tabular}
+\caption{Comparison of FGMRES  and 2 stage FGMRES algorithms for ex54 of Petsc (both with the MG preconditioner) with 25000 components per core on Curie (restart=30, s=12),  time is expressed in seconds.}
+\label{tab:04}
+\end{center}
+\end{table*}
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
@@ -590,11 +810,18 @@ Iterative Krylov methods; sparse linear systems; error minimization; PETSC; %à
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 \section{Conclusion}
+\label{sec:05}
 %The conclusion goes here. this is more of the conclusion
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
 
+future plan : \\
+- study other kinds of matrices, problems, inner solvers\\
+- adaptative number of outer iterations to minimize\\
+- other methods to minimize the residuals?\\
+- implement our solver inside PETSc
+
 
 % conference papers do not normally have an appendix
 
@@ -604,10 +831,10 @@ Iterative Krylov methods; sparse linear systems; error minimization; PETSC; %à
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 \section*{Acknowledgment}
-%The authors would like to thank...
-%more thanks here
-%%%*********************************************************
-%%%*********************************************************
+This  paper  is   partially  funded  by  the  Labex   ACTION  program  (contract
+ANR-11-LABX-01-01).   We acknowledge PRACE  for awarding  us access  to resource
+Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
+
 
 
 % trigger a \newpage just before the given reference
@@ -634,10 +861,13 @@ Iterative Krylov methods; sparse linear systems; error minimization; PETSC; %à
 % (used to reserve space for the reference number labels box)
 \begin{thebibliography}{1}
 
-\bibitem{IEEEhowto:kopka}
-%H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
-%  0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
+\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.
+
+\bibitem{saad96} Y.~Saad, \emph{Iterative Methods for Sparse Linear Systems}, PWS Publishing, New York, 1996.
+
+\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.
 
+\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.
 \end{thebibliography}