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

Private GIT Repository
suite
[GMRES2stage.git] / IJHPCN / paper.tex
index 3aa76dee5624bc5986ac40d389c0a0f6db14ae1f..21fa922b10633c9b24d1edaff5a87d8544c24908 100644 (file)
@@ -49,9 +49,7 @@
 \makeatletter\r
 \def\theequation{\arabic{equation}}\r
 \r
-%\JOURNALNAME{\TEN{\it Int. J. System Control and Information\r
-%Processing,\r
-%Vol. \theVOL, No. \theISSUE, \thePUBYEAR\hfill\thepage}}%\r
+\JOURNALNAME{\TEN{\it International Journal of High Performance Computing and Networking}}\r
 %\r
 %\def\BottomCatch{%\r
 %\vskip -10pt\r
 \r
 \setcounter{page}{1}\r
 \r
-\LRH{F. Wang et~al.}\r
+\LRH{R. Couturier, L. Ziane Khodja and C. Guyeux}\r
 \r
-\RRH{Metadata Based Management and Sharing of Distributed Biomedical\r
-Data}\r
+\RRH{TSIRM: A Two-Stage Iteration with least-squares Residual Minimization algorithm}\r
 \r
 \VOL{x}\r
 \r
@@ -86,7 +83,7 @@ Data}
 \r
 \BottomCatch\r
 \r
-\PUBYEAR{2012}\r
+\PUBYEAR{2015}\r
 \r
 \subtitle{}\r
 \r
@@ -109,19 +106,25 @@ Data}
 \r
 \r
 \begin{abstract}\r
-In  this article, a  two-stage iterative  algorithm is  proposed to  improve the\r
+In  this paper,  a  two-stage iterative  algorithm is  proposed  to improve  the\r
 convergence  of  Krylov  based  iterative  methods,  typically  those  of  GMRES\r
-variants.  The  principle of  the  proposed approach  is  to  build an  external\r
-iteration over the  Krylov method, and to frequently  store its current residual\r
+variants.   The principle  of  the proposed  approach is  to  build an  external\r
+iteration over the  Krylov method, and to frequently store  its current residual\r
 (at each GMRES restart for instance).  After a given number of outer iterations,\r
 a least-squares minimization step is applied on the matrix composed by the saved\r
-residuals, in order  to compute a better solution and to  make new iterations if\r
-required.  It  is proven that the  proposal has the  same convergence properties\r
-than the  inner embedded  method itself.  Experiments  using up to  16,394 cores\r
-also  show that the  proposed algorithm  runs around  5 or  7 times  faster than\r
-GMRES.\r
+residuals, in order to  compute a better solution and to  make new iterations if\r
+required.  It  is proven that the  proposal has the same  convergence properties\r
+than the inner  embedded method itself.\r
+%%NEW\r
+Several experiments  have been performed\r
+with  the PETSc  solver  with  linear and  nonlinear  problems.  They show  good\r
+speedups   compared  to   GMRES  with   up  to   16,394  cores   with  different\r
+preconditioners.\r
+%%ENDNEW\r
 \end{abstract}\r
 \r
+\r
+\r
 \KEYWORD{Iterative Krylov methods; sparse linear and non linear systems; two stage iteration; least-squares residual minimization; PETSc.}\r
 \r
 %\REF{to this paper should be made as follows: Rodr\'{\i}guez\r
@@ -131,28 +134,11 @@ GMRES.
 %Semantics and Ontologies}, Vol. x, No. x, pp.xxx\textendash xxx.}\r
 \r
 \begin{bio}\r
-Manuel Pedro Rodr\'iguez Bol\'ivar received his PhD in Accounting at\r
-the University of Granada. He is a Lecturer at the Department of\r
-Accounting and Finance, University of Granada. His research\r
-interests include issues related to conceptual frameworks of\r
-accounting, diffusion of financial information on Internet, Balanced\r
-Scorecard applications and environmental accounting. He is author of\r
-a great deal of research studies published at national and\r
-international journals, conference proceedings as well as book\r
-chapters, one of which has been edited by Kluwer Academic\r
-Publishers.\vs{9}\r
-\r
-\noindent Bel\'en Sen\'es Garc\'ia received her PhD in Accounting at\r
-the University of Granada. She is a Lecturer at the Department of\r
-Accounting and Finance, University of Granada. Her research\r
-interests are related to cultural, institutional and historic\r
-accounting and in environmental accounting. She has published\r
-research papers at national and international journals, conference\r
-proceedings as well as chapters of books.\vs{8}\r
-\r
-\noindent Both authors have published a book about environmental\r
-accounting edited by the Institute of Accounting and Auditing,\r
-Ministry of Economic Affairs, in Spain in October 2003.\r
+Raphaël Couturier ....\r
+\r
+\noindent Lilia Ziane Khodja ...\r
+\r
+\noindent Christophe Guyeux ...\r
 \end{bio}\r
 \r
 \r
@@ -502,6 +488,13 @@ that the proposed TSIRM converges while the GMRES($m$) does not.
 \section{Experiments using PETSc}\r
 \label{sec:05}\r
 \r
+%%NEW\r
+In this section four kinds of experiments have been performed. First, some experiments on real matrices issued from the sparse matrix florida have been achieved out. Second, some experiments in parallel with some linear problems are reported and analyzed. Third, some experiments in parallèle with som nonlinear problems are illustrated. Finally some parameters of TSIRM are studied in order to understand their influences.\r
+\r
+\r
+\subsection{Real matrices in sequential}\r
+%%ENDNEW\r
+\r
 \r
 In order to see the behavior of our approach when considering only one processor,\r
 a  first  comparison  with  GMRES  or  FGMRES and  the  new  algorithm  detailed\r
@@ -574,8 +567,9 @@ torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\
 \end{table*}\r
 \r
 \r
-\r
-\r
+%%NEW\r
+\subsection{Parallel linear problems}\r
+%%ENDNEW\r
 \r
 In order to perform larger experiments, we have tested some example applications\r
 of  PETSc. These  applications are  available in  the \emph{ksp}  part,  which is\r
@@ -638,7 +632,7 @@ preconditioners in PETSc, readers are referred to~\cite{petsc-web-page}.
 \hline\r
 \r
 \end{tabular}\r
-\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.}\r
+\caption{Comparison of FGMRES and TSIRM with FGMRES for example ex15 of PETSc/KSP 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.}\r
 \label{tab:03}\r
 \end{center}\r
 \end{table*}\r
@@ -710,7 +704,7 @@ interesting.
 \hline\r
 \r
 \end{tabular}\r
-\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.}\r
+\caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM with FGMRES algorithms for ex54 of PETSc/KSP (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.}\r
 \label{tab:04}\r
 \end{center}\r
 \end{table*}\r
@@ -769,7 +763,7 @@ taken into account with TSIRM.
 \hline\r
 \r
 \end{tabular}\r
-\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.}\r
+\caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex54 of PETSc/KSP (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.}\r
 \label{tab:05}\r
 \end{center}\r
 \end{table*}\r
@@ -784,7 +778,7 @@ taken into account with TSIRM.
 \r
 Concerning the  experiments some  other remarks are  interesting.\r
 \begin{itemize}\r
-\item We have tested other examples  of PETSc (ex29, ex45, ex49).  For all these\r
+\item We have tested other examples  of PETSc/KSP (ex29, ex45, ex49).  For all these\r
   examples,  we have also  obtained similar  gains between  GMRES and  TSIRM but\r
   those  examples are  not scalable  with many  cores. In  general, we  had some\r
   problems with more than $4,096$ cores.\r
@@ -806,27 +800,85 @@ Concerning the  experiments some  other remarks are  interesting.
 \r
 \r
 %%NEW\r
+\r
+\subsection{Nonlinear problems in parallel}\r
+\r
 \begin{table*}[htbp]\r
 \begin{center}\r
-\begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|} \r
+\begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|\r
 \hline\r
 \r
-  nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/ASM} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS/ASM} & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/HYPRE}   \\ \r
-\cline{2-7}\r
-                    & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter.   \\\hline \hline\r
-   512              & 5.54      & 685    & 2.5 &       570  & 128.9 & 9     \\\r
-   2048             & 14.95     & 1,560  &  5.2 &     746   & 335.7 & 9 \\\r
-   4096             & 25.13    & 2,369   & 5.61 &   859  &   >1000  & -- \\\r
-   8192             & 44.35   & 3,197   &  7.6  &  1083 & >1000 &  --   \\\r
+  nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/ASM} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS/ASM} & gain& \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/HYPRE}   \\ \r
+\cline{2-5} \cline{7-8}\r
+                    & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. &        & Time  & \# Iter.   \\\hline \hline\r
+   512              & 5.54      & 685    & 2.5 &       570 & 2.21   & 128.9 & 9     \\\r
+   2048             & 14.95     & 1,560  &  4.32 &     746 & 3.48   & 335.7 & 9 \\\r
+   4096             & 25.13    & 2,369   & 5.61 &   859    & 4.48   & >1000  & -- \\\r
+   8192             & 44.35   & 3,197   &  7.6  &  1083    &  5.84  & >1000 &  --   \\\r
 \r
 \hline\r
 \r
 \end{tabular}\r
-\caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex45 of PETSc with two preconditioner (ASM and HYPRE)  having 25,000 components per core on Curie ($\epsilon_{tsirm}=1e-10$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
+\caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex45 of PETSc/KSP with two preconditioner (ASM and HYPRE)  having 25,000 components per core on Curie ($\epsilon_{tsirm}=1e-10$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
 \label{tab:06}\r
 \end{center}\r
 \end{table*}\r
 \r
+\r
+\begin{figure}[htbp]\r
+\centering\r
+  \includegraphics[width=0.5\textwidth]{nb_iter_sec_ex45_curie}\r
+\caption{Number of iterations per second with ex45 and the same parameters as in Table~\ref{tab:06} (weak scaling)}\r
+\label{fig:03}\r
+\end{figure}\r
+\r
+\r
+\r
+\begin{table*}[htbp]\r
+\begin{center}\r
+\begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|} \r
+\hline\r
+\r
+  nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/BJAC} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS/BJAC} & gain   \\ \r
+\cline{2-5}\r
+                    & Time         & \# Iter.  & Time   & \# Iter.  &  \\\hline \hline\r
+   1024              & 667.92      & 48,732    & 81.65  &     5,087 &  8.18 \\\r
+   2048             & 966.87       & 77,177    &  90.34 &     5,716 &  10.70\\\r
+   4096             & 1,742.31     & 124,411   &  119.21 &   6,905  & 14.61\\\r
+   8192             & 2,739.21     & 187,626   &  168.9  &  9,000   & 16.22\\\r
+\r
+\hline\r
+\r
+\end{tabular}\r
+\caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex20 of PETSc/SNES with a Block Jacobi  preconditioner  having 100,000 components per core on Curie ($\epsilon_{tsirm}=1e-10$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
+\label{tab:07}\r
+\end{center}\r
+\end{table*}\r
+\r
+\begin{table*}[htbp]\r
+\begin{center}\r
+\begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|} \r
+\hline\r
+\r
+  nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES/BJAC} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS/BJAC} & gain  \\ \r
+\cline{2-5}\r
+                    & Time         & \# Iter.  & Time   & \# Iter. &  \\\hline \hline\r
+   1024              & 159.52      & 11,584    &  26.34  &     1,563  &  6.06  \\\r
+   2048             & 226.24       & 16,459    &  37.23 &     2,248   &  6.08\\\r
+   4096             & 391.21     & 27,794   &  50.93 &   2,911  &  7.69\\\r
+   8192             & 543.23     & 37,770   &  79.21  &  4,324  & 6.86 \\\r
+\r
+\hline\r
+\r
+\end{tabular}\r
+\caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM for ex14 of PETSc/SNES with a Block Jacobi  preconditioner  having 100,000 components per core on Curie ($\epsilon_{tsirm}=1e-10$, $max\_iter_{kryl}=30$, $s=12$, $max\_iter_{ls}=15$, $\epsilon_{ls}=1e-40$),  time is expressed in seconds.}\r
+\label{tab:08}\r
+\end{center}\r
+\end{table*}\r
+\r
+\r
+\subsection{Influcence of parameters for TSIRM}\r
+\r
 %%ENDNEW\r
 \r
 %%%*********************************************************\r
@@ -837,28 +889,20 @@ Concerning the  experiments some  other remarks are  interesting.
 %%%*********************************************************\r
 %%%*********************************************************\r
 \r
-A new two-stage iterative  algorithm TSIRM has been proposed in this article,\r
-in order to accelerate the convergence of Krylov iterative  methods.\r
-Our TSIRM proposal acts as a merger between Krylov based solvers and\r
-a least-squares minimization step.\r
-The convergence of the method has been proven in some situations, while \r
-experiments up to 16,394 cores have been led to verify that TSIRM runs\r
-5 or  7 times  faster than GMRES.\r
+%%NEW\r
+In this paper a new two-stage algorithm TSIRM has been described. This method allows us to improve the convergence of  Krylov iterative  methods. It is based\r
+on a least-squares minimization step which uses the  Krylov residuals.\r
+\r
 \r
+We have implemented our code in PETSc in order to show that it is efficient and scalable. Some experiments with classical examples of PETSc for linear and nonlinear problems have been performed. We observed that TSIRM outperforms GMRES variants when the number of iterations is large. TSIRM is also scalable since we made some experiments with up to 16,394 cores.\r
 \r
-For  future  work, the  authors'  intention is  to  investigate  other kinds  of\r
-matrices, problems, and  inner solvers. In particular, the possibility \r
-to obtain a convergence of TSIRM in situations where the GMRES is divergent will be\r
-investigated. The influence of  all parameters must be\r
-tested too, while other methods to minimize the residuals must be regarded.  The\r
-number of outer  iterations to minimize should become  adaptive to improve the\r
-overall performances of the proposal.   Finally, this solver will be implemented\r
-inside PETSc, which would be of interest as it would  allows us to test\r
-all the non-linear  examples and compare our algorithm  with the other algorithm\r
-implemented in PETSc.\r
+We also observed that TSIRM is efficient with different preconditioners. The hypre preconditioner that is globally very efficient for many problems is also very time consuming. Consequently, sometimes using a less performent preconditioners may be a better solution. In that case, TSIRM is also more efficient than traditional Krylov methods.\r
 \r
+{\bf A CHECKER !!}\r
+The influence of some important parameters of TSIRM have been studied. It can be noticed that they have a strong influence on the convergence speed\r
 \r
-% conference papers do not normally have an appendix\r
+In future works, we plan to study other problems coming from different research areas. Other efficient Krylov optimisation methods as communication avoiding technique may be interesting to be investigated\r
+%%ENDNEW\r
 \r
 \r
 \r