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

Private GIT Repository
09-10-2014 01
[GMRES2stage.git] / paper.tex
index 23bb18b3a90f3fac530a83857a116ef1467738b7..e7e7e0db029a6ef0637ea4f6739dc80848572548 100644 (file)
--- a/paper.tex
+++ b/paper.tex
 \usepackage{amsmath}
 \usepackage{amssymb}
 \usepackage{multirow}
 \usepackage{amsmath}
 \usepackage{amssymb}
 \usepackage{multirow}
+\usepackage{graphicx}
 
 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
 
 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
@@ -431,15 +432,15 @@ 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
 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
+step  is applied  on the  matrix composed  of the  saved 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}
 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; residual minimization; PETSc; %à voir... 
 \end{IEEEkeywords}
 
 
 \end{IEEEkeywords}
 
 
@@ -583,10 +584,9 @@ 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
 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.  Finally   Section~\ref{sec:06}  concludes  and  gives  some
-perspectives.
+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.  Finally Section~\ref{sec:06} concludes and gives some perspectives.
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
@@ -604,7 +604,7 @@ perspectives.
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
-\section{A Krylov two-stage algorithm}
+\section{Two-stage algorithm with least-square residuals minimization}
 \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
 \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
@@ -615,7 +615,7 @@ points of our solver are given in Algorithm~\ref{algo:01}.
 
 In order to accelerate the convergence, the outer iteration periodically applies
 a least-square minimization  on the residuals computed by  the inner solver. The
 
 In order to accelerate the convergence, the outer iteration periodically applies
 a least-square minimization  on the residuals computed by  the inner solver. The
-inner solver is a Krylov based solver which does not required to be changed.
+inner solver is based on a Krylov method which does not require to be changed.
 
 At each outer iteration, the sparse linear system $Ax=b$ is solved, only for $m$
 iterations, using an iterative method restarting with the previous solution. For
 
 At each outer iteration, the sparse linear system $Ax=b$ is solved, only for $m$
 iterations, using an iterative method restarting with the previous solution. For
@@ -644,12 +644,13 @@ appropriate than a direct method in a parallel context.
   \Input $A$ (sparse matrix), $b$ (right-hand side)
   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
   \State Set the initial guess $x^0$
   \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  $x^k=Solve(A,b,x^{k-1},m)$   \label{algo:solve}
+  \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence (error$<\epsilon_{kryl}$)} \label{algo:conv}
+    \State  $x^k=Solve(A,b,x^{k-1},max\_iter_{kryl})$   \label{algo:solve}
+    \State retrieve error
     \State $S_{k~mod~s}=x^k$ \label{algo:store}
     \State $S_{k~mod~s}=x^k$ \label{algo:store}
-    \If {$k$ mod $s=0$ {\bf and} not convergence}
-      \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix}
-      \State Solve least-squares problem $\underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2$
+    \If {$k$ mod $s=0$ {\bf and} error$>\epsilon_{kryl}$}
+      \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix} \label{algo:matrix_mul}
+      \State Solve least-squares problem $\underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2$ \label{algo:}
       \State $x^k=S\alpha$  \Comment{compute new solution}
     \EndIf
   \EndFor
       \State $x^k=S\alpha$  \Comment{compute new solution}
     \EndIf
   \EndFor
@@ -659,11 +660,68 @@ appropriate than a direct method in a parallel context.
 
 Algorithm~\ref{algo:01}  summarizes  the principle  of  our  method.  The  outer
 iteration is  inside the for  loop. Line~\ref{algo:solve}, the Krylov  method is
 
 Algorithm~\ref{algo:01}  summarizes  the principle  of  our  method.  The  outer
 iteration is  inside the for  loop. Line~\ref{algo:solve}, the Krylov  method is
-called for a  maximum of $m$ iterations.  In practice, we  suggest to choose $m$
-equals to  the restart number  of the GMRES like  method. Line~\ref{algo:store},
-$S_{k~ mod~ s}=x^k$  consists in copying the solution $x_k$  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.
+called for a  maximum of $max\_iter_{kryl}$ iterations.  In practice, we  suggest to set this parameter
+equals to  the restart  number of the  GMRES-like method. Moreover,  a tolerance
+threshold must be specified for the  solver. In practice, this threshold must be
+much  smaller  than the  convergence  threshold  of  the TSARM  algorithm  (i.e.
+$\epsilon$).  Line~\ref{algo:store}, $S_{k~ mod~ s}=x^k$ consists in copying the
+solution  $x_k$  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.  To
+solve the minimization problem, an  iterative method is used. Two parameters are
+required for that: the maximum number of iteration and the threshold to stop the
+method.
+
+To summarize, the important parameters of TSARM are:
+\begin{itemize}
+\item $\epsilon_{kryl}$ the threshold to stop the method of the krylov method
+\item $max\_iter_{kryl}$ the maximum number of iterations for the krylov method
+\item $s$ the number of outer iterations before applying the minimization step
+\item $max\_iter_{ls}$ the maximum number of iterations for the iterative least-square method
+\item $\epsilon_{ls}$ the threshold to stop the least-square method
+\end{itemize}
+
+
+The  parallelisation  of  TSARM  relies   on  the  parallelization  of  all  its
+parts. More  precisely, except  the least-square step,  all the other  parts are
+obvious to  achieve out in parallel. In  order to develop a  parallel version of
+our   code,   we   have   chosen  to   use   PETSc~\cite{petsc-web-page}.    For
+line~\ref{algo:matrix_mul} the  matrix-matrix multiplication is  implemented and
+efficient since the  matrix $A$ is sparse and since the  matrix $S$ contains few
+colums in  practice. As explained  previously, at least  two methods seem  to be
+interesting to solve the least-square minimization, CGLS and LSQR.
+
+In the following  we remind the CGLS algorithm. The LSQR  method follows more or
+less the same principle but it take more place, so we briefly explain the parallelization of CGLS which is similar to LSQR.
+
+\begin{algorithm}[t]
+\caption{CGLS}
+\begin{algorithmic}[1]
+  \Input $A$ (matrix), $b$ (right-hand side)
+  \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
+  \State $r=b-Ax$
+  \State $p=A'r$
+  \State $s=p$
+  \State $g=||s||^2_2$
+  \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence (g$<\epsilon_{ls}$)} \label{algo2:conv}
+    \State $q=Ap$
+    \State $\alpha=g/||q||^2_2$
+    \State $x=x+alpha*p$
+    \State $r=r-alpha*q$
+    \State $s=A'*r$
+    \State $g_{old}=g$
+    \State $g=||s||^2_2$
+    \State $\beta=g/g_{old}$
+  \EndFor
+\end{algorithmic}
+\label{algo:02}
+\end{algorithm}
+
+
+In each iteration  of CGLS, there is two  matrix-vector multiplications and some
+classical operations:  dots, norm, multiplication  and addition on  vectors. All
+these operations are easy to implement in PETSc or similar environment.
+
+
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
@@ -671,6 +729,9 @@ the new values of the residuals.
 \section{Convergence results}
 \label{sec:04}
 
 \section{Convergence results}
 \label{sec:04}
 
+
+
+
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 \section{Experiments using petsc}
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 \section{Experiments using petsc}
@@ -731,7 +792,7 @@ minimization.
 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|r|} 
 \hline
 
 \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} \\ 
+ \multirow{2}{*}{Matrix name}  & Solver /   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} \\ 
 \cline{3-6}
        &  precond             & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter.  \\\hline \hline
 
 \cline{3-6}
        &  precond             & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter.  \\\hline \hline
 
@@ -752,14 +813,29 @@ torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\
 
 
 
 
 
 
-Larger experiments ....
+
+In the following we describe the applications of PETSc we have experimented. Those applications are available in the ksp part which is suited for  scalable linear equations solvers:
+\begin{itemize}
+\item ex15  is an example  which solves in  parallel an operator using  a  finite  difference  scheme.  The  diagonal is  equals  to  4  and  4
+  extra-diagonals  representing the  neighbors in  each directions  is  equal to
+  -1. This  example is used in many  physical phenomena , for  exemple, heat and
+  fluid flow, wave propagation...
+\item ex54 is another example based on 2D problem discretized  with quadrilateral finite elements. For this example, the user can define the scaling of material coefficient in embedded circle, it is called $\alpha$.
+\end{itemize}
+For more technical details on  these applications, interested reader are invited
+to  read the  codes available  in the  PETSc sources.   Those problem  have been
+chosen because they  are scalable with many cores. We  have tested other problem
+but they are not scalable with many cores.
+
+
+
 
 \begin{table*}
 \begin{center}
 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
 \hline
 
 
 \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 \\ 
+  nb. cores & precond   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM 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 \\
 \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 \\
@@ -779,12 +855,23 @@ Larger experiments ....
 \end{table*}
 
 
 \end{table*}
 
 
+\begin{figure}
+\centering
+  \includegraphics[width=0.45\textwidth]{nb_iter_sec_ex15_juqueen}
+\caption{Number of iterations per second with ex15 and the same parameters than in Table~\ref{tab:03}}
+\label{fig:01}
+\end{figure}
+
+
+
+
+
 \begin{table*}
 \begin{center}
 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
 \hline
 
 \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 \\ 
+  nb. cores & threshold   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM 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 \\
 \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 \\
@@ -792,7 +879,7 @@ Larger experiments ....
   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 \\
   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 \\
+  8,192      & 5e-5                  & 785.04 & 109,590 & 76.07  &  10,470  & 69.42 & 9,030  & 11.30 \\
   16,384     & 4e-5                  & 718.61 & 86,400 & 98.98  &  10,830  & 131.86  & 14,790  & 7.26 \\
 \hline
 
   16,384     & 4e-5                  & 718.61 & 86,400 & 98.98  &  10,830  & 131.86  & 14,790  & 7.26 \\
 \hline
 
@@ -801,6 +888,33 @@ Larger experiments ....
 \label{tab:04}
 \end{center}
 \end{table*}
 \label{tab:04}
 \end{center}
 \end{table*}
+
+
+
+
+
+\begin{table*}
+\begin{center}
+\begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
+\hline
+
+  nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain & \multicolumn{3}{c|}{efficiency} \\ 
+\cline{2-7} \cline{9-11}
+                    & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. &   & GMRES & TS CGLS & TS LSQR\\\hline \hline
+   512              & 3,969.69 & 33,120 & 709.57 & 5,790  & 622.76 & 5,070  & 6.37  &   1    &    1    &     1     \\
+   1024             & 1,530.06  & 25,860 & 290.95 & 4,830  & 307.71 & 5,070 & 5.25  &  1.30  &    1.21  &   1.01     \\
+   2048             & 919.62    & 31,470 & 237.52 & 8,040  & 194.22 & 6,510 & 4.73  & 1.08   &    .75   &   .80\\
+   4096             & 405.60    & 28,380 & 111.67 & 7,590  & 91.72  & 6,510 & 4.42  & 1.22   &  .79     &   .84 \\
+   8192             & 785.04   & 109,590 & 76.07  & 10,470 & 69.42 & 9,030  & 11.30 &   .32  &   .58    &  .56 \\
+
+\hline
+
+\end{tabular}
+\caption{Comparison of FGMRES  and 2 stage FGMRES algorithms for ex54 of Petsc (both with the MG preconditioner) with 204,919,225 components on Curie with different number of cores (restart=30, s=12, threshol 5e-5),  time is expressed in seconds.}
+\label{tab:05}
+\end{center}
+\end{table*}
+
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
@@ -817,6 +931,7 @@ Larger experiments ....
 
 future plan : \\
 - study other kinds of matrices, problems, inner solvers\\
 
 future plan : \\
 - study other kinds of matrices, problems, inner solvers\\
+- test the influence of all the parameters\\
 - adaptative number of outer iterations to minimize\\
 - other methods to minimize the residuals?\\
 - implement our solver inside PETSc
 - adaptative number of outer iterations to minimize\\
 - other methods to minimize the residuals?\\
 - implement our solver inside PETSc