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

Private GIT Repository
new
[GMRES2stage.git] / paper.tex
index ceffa3d7903def8c6c51d0395e382a9487e67e2a..25f1393e95bfd5d65094c8a57eb03211344bb34b 100644 (file)
--- a/paper.tex
+++ b/paper.tex
 % use a multiple column layout for up to two different
 % affiliations
 
-\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\\
+\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-Comt\'e, France\\
 Email: \{raphael.couturier,christophe.guyeux\}@univ-fcomte.fr}
 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2} INRIA Bordeaux Sud-Ouest, France\\
 Email: lilia.ziane@inria.fr}
@@ -564,7 +564,7 @@ gradient and GMRES ones (Generalized Minimal RESidual).
 
 However,  iterative  methods suffer  from scalability  problems  on parallel
 computing  platforms  with many  processors, due  to  their need  of  reduction
-operations, and to  collective    communications   to  achive   matrix-vector
+operations, and to  collective    communications   to  achieve   matrix-vector
 multiplications. The  communications on large  clusters with thousands  of cores
 and  large  sizes of  messages  can  significantly  affect the  performances  of these
 iterative methods. As a consequence, Krylov subspace iteration methods are often used
@@ -618,22 +618,23 @@ It can be summarized as follows: the
 inner solver is a Krylov based one. In order to accelerate its convergence, the 
 outer solver periodically applies a least-squares minimization  on the residuals computed by  the inner one. %Tsolver which does not required to be changed.
 
-At each outer iteration, the sparse linear system $Ax=b$ is partially 
-solved using only $m$
-iterations of an iterative method, this latter being initialized with the 
-best known approximation previously obtained. 
-GMRES method~\cite{Saad86}, or any of its variants, can be used for instance as an
-inner solver. The current approximation of the Krylov method is then stored inside a matrix
-$S$ composed by the successive solutions that are computed during inner iterations.
+At each  outer iteration,  the sparse linear  system $Ax=b$ is  partially solved
+using only $m$ iterations of  an iterative method, this latter being initialized
+with the last obtained approximation.  GMRES method~\cite{Saad86}, or any of its
+variants, can potentially be used  as inner solver. The current approximation of
+the Krylov  method is then  stored inside  a $n \times  s$ matrix $S$,  which is
+composed by  the $s$  last solutions  that have been  computed during  the inner
+iterations phase.   In the remainder,  the $i$-th column  vector of $S$  will be
+denoted by $S_i$.
 
-At each $s$ iterations, the minimization step is applied in order to
+At each $s$ iterations, another kind of minimization step is applied in order to
 compute a new  solution $x$. For that, the previous  residuals of $Ax=b$ are computed by
 the inner iterations with $(b-AS)$. The minimization of the residuals is obtained by  
 \begin{equation}
    \underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2
 \label{eq:01}
 \end{equation}
-with $R=AS$. Then the new solution $x$ is computed with $x=S\alpha$.
+with $R=AS$. The new solution $x$ is then computed with $x=S\alpha$.
 
 
 In  practice, $R$  is a  dense rectangular  matrix belonging in  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
@@ -650,9 +651,8 @@ appropriate than a single direct method in a parallel context.
   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
   \State Set the initial guess $x_0$
   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence (error$<\epsilon_{tsirm}$)} \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  $[x_k,error]=Solve(A,b,x_{k-1},max\_iter_{kryl})$   \label{algo:solve}
+    \State $S_{k \mod s}=x_k$ \label{algo:store} \Comment{update column (k mod s) of S}
     \If {$k \mod s=0$ {\bf and} error$>\epsilon_{kryl}$}
       \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix} \label{algo:matrix_mul}
             \State $\alpha=Least\_Squares(R,b,max\_iter_{ls})$ \label{algo:}
@@ -663,18 +663,22 @@ appropriate than a single direct method in a parallel context.
 \label{algo:01}
 \end{algorithm}
 
-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 $max\_iter_{kryl}$ 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 TSIRM  algorithm  (\emph{i.e.}
-$\epsilon_{tsirm}$).  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 iterations and the threshold to stop the
-method.
+Algorithm~\ref{algo:01} summarizes  the principle  of the proposed  method.  The
+outer iteration is inside the \emph{for} loop. Line~\ref{algo:solve}, the Krylov
+method is called  for a maximum of $max\_iter_{kryl}$  iterations.  In practice,
+we suggest to  set this parameter equal to the restart  number in 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  TSIRM algorithm  (\emph{i.e.}, $\epsilon_{tsirm}$).  We also  consider that
+after the call of the $Solve$ function, we obtain the vector $x_k$ and the error
+which is defined by $||Ax^k-b||_2$.
+
+  Line~\ref{algo:store},
+$S_{k \mod  s}=x^k$ consists in  copying the solution  $x_k$ into the  column $k
+\mod s$ of $S$.   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 iterations
+and the threshold to stop the method.
 
 Let us summarize the most important parameters of TSIRM:
 \begin{itemize}
@@ -686,13 +690,13 @@ Let us summarize the most important parameters of TSIRM:
 \end{itemize}
 
 
-The  parallelisation  of  TSIRM  relies   on  the  parallelization  of  all  its
+The  parallelization  of  TSIRM  relies   on  the  parallelization  of  all  its
 parts. More  precisely, except  the least-squares 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
+columns in  practice. As explained  previously, at least  two methods seem  to be
 interesting to solve the least-squares minimization, CGLS and LSQR.
 
 In the following  we remind the CGLS algorithm. The LSQR  method follows more or
@@ -735,37 +739,59 @@ these operations are easy to implement in PETSc or similar environment.
 
 \section{Convergence results}
 \label{sec:04}
-Let us recall the following result, see~\cite{Saad86}.
+Let us recall the following result, see~\cite{Saad86} for further readings.
 \begin{proposition}
+\label{prop:saad}
 Suppose that $A$ is a positive real matrix with symmetric part $M$. Then the residual norm provided at the $m$-th step of GMRES satisfies:
 \begin{equation}
 ||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_0|| ,
 \end{equation}
-where $\alpha = \lambda_min(M)^2$ and $\beta = \lambda_max(A^T A)$, which proves 
+where $\alpha = \lambda_{min}(M)^2$ and $\beta = \lambda_{max}(A^T A)$, which proves 
 the convergence of GMRES($m$) for all $m$ under that assumption regarding $A$.
 \end{proposition}
 
 
 We can now claim that,
 \begin{proposition}
-If $A$ is a positive real matrix and GMRES($m$) is used as solver, then the TSIRM algorithm is convergent.
+If $A$ is a positive real matrix and GMRES($m$) is used as solver, then the TSIRM algorithm is convergent. Furthermore, 
+let $r_k$ be the
+$k$-th residue of TSIRM, then
+we still have:
+\begin{equation}
+||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0|| ,
+\end{equation}
+where $\alpha$ and $\beta$ are defined as in Proposition~\ref{prop:saad}.
 \end{proposition}
 
 \begin{proof}
-Let $r_k = b-Ax_k$, where $x_k$ is the approximation of the solution after the
-$k$-th iterate of TSIRM.
-We will prove that $r_k \rightarrow 0$ when $k \rightarrow +\infty$.
+We will prove by a mathematical induction that, for each $k \in \mathbb{N}^\ast$, 
+$||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{mk}{2}} ||r_0||.$
 
-Each step of the TSIRM algorithm \\
+The base case is obvious, as for $k=1$, the TSIRM algorithm simply consists in applying GMRES($m$) once, leading to a new residual $r_1$ which follows the inductive hypothesis due to Proposition~\ref{prop:saad}.
+
+Suppose now that the claim holds for all $m=1, 2, \hdots, k-1$, that is, $\forall m \in \{1,2,\hdots, k-1\}$, $||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$.
+We will show that the statement holds too for $r_k$. Two situations can occur:
+\begin{itemize}
+\item If $k \mod m \neq 0$, then the TSIRM algorithm consists in executing GMRES once. In that case, we obtain $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$ by the inductive hypothesis.
+\item Else, the TSIRM algorithm consists in two stages: a first GMRES($m$) execution leads to a temporary $x_k$ whose residue satisfies $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$, and a least squares resolution.
+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,\\
 $\min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-R\alpha ||_2 = \min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-AS\alpha ||_2$
 
 $\begin{array}{ll}
-& = \min_{x \in Vect\left(x_0, x_1, \hdots, x_{k-1} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\
-& \leqslant \min_{x \in Vect\left( S_{k-1} \right)} ||b-Ax ||_2\\
-& \leqslant ||b-Ax_{k-1}||
+& = \min_{x \in span\left(S_{k-s+1}, S_{k-s+2}, \hdots, S_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\
+& = \min_{x \in span\left(x_{k-s+1}, x_{k-s}+2, \hdots, x_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\
+& \leqslant \min_{x \in span\left( x_{k} \right)} ||b-Ax ||_2\\
+& \leqslant \min_{\lambda \in \mathbb{R}} ||b-\lambda Ax_{k} ||_2\\
+& \leqslant ||b-Ax_{k}||_2\\
+& = ||r_k||_2\\
+& \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||,
 \end{array}$
+\end{itemize}
+which concludes the induction and the proof.
 \end{proof}
 
+We can remark that, at each iterate, the residue of the TSIRM algorithm is lower 
+than the one of the GMRES method.
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
@@ -774,10 +800,12 @@ $\begin{array}{ll}
 
 
 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 are given.
+show a comparison with GMRES or FGMRES and our algorithm. In Table~\ref{tab:01},
+we  show the  matrices we  have  used and  some of  them characteristics.  Those
+matrices  are   chosen  from   the  Davis  collection   of  the   University  of
+Florida~\cite{Dav97}. They are matrices arising in real-world applications.  For
+all the  matrices, the name,  the field,  the number of  rows and the  number of
+nonzero elements are given.
 
 \begin{table}[htbp]
 \begin{center}
@@ -837,7 +865,7 @@ 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.}
+\caption{Comparison of (F)GMRES and TSIRM with (F)GMRES in sequential with some matrices, time is expressed in seconds.}
 \label{tab:02}
 \end{center}
 \end{table}
@@ -846,7 +874,7 @@ torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\
 
 
 
-In order to perform larger  experiments, we have tested some example applications
+In order to perform larger experiments, we have tested some example applications
 of PETSc. Those  applications are available in the ksp part  which is suited for
 scalable linear equations solvers:
 \begin{itemize}
@@ -859,11 +887,23 @@ scalable linear equations solvers:
   finite elements. For this example, the user can define the scaling of material
   coefficient in embedded circle called $\alpha$.
 \end{itemize}
-For more technical details on  these applications, interested readers are invited
-to  read the  codes available  in the  PETSc sources.   Those problems  have been
-chosen because they  are scalable with many cores which is not the case of other problems that we have tested.
+For more technical details on these applications, interested readers are invited
+to read  the codes  available in  the PETSc sources.   Those problems  have been
+chosen because they are scalable with many  cores which is not the case of other
+problems that we have tested.
+
+In  the  following   larger  experiments  are  described  on   two  large  scale
+architectures:  Curie and  Juqeen.  Both  these architectures  are supercomputer
+composed of 80,640 cores for Curie and 458,752 cores for Juqueen. Those machines
+are respectively hosted  by GENCI in France and  Jülich Supercomputing Centre in
+Germany. They belongs with other similar architectures of the PRACE initiative (
+Partnership  for Advanced  Computing in  Europe)  which aims  at proposing  high
+performance supercomputing architecture to enhance research in Europe. The Curie
+architecture is composed of Intel E5-2680  processors at 2.7 GHz with 2Gb memory
+by core. The Juqueen architecture is composed  of IBM PowerPC A2 at 1.6 GHz with
+1Gb memory per  core. Both those architecture are equiped  with a dedicated high
+speed network.
 
-In the following larger experiments are described on two large scale architectures: Curie and Juqeen... {\bf description...}\\
 
 
 {\bf Description of preconditioners}\\
@@ -896,7 +936,7 @@ Table~\ref{tab:03} shows  the execution  times and the  number of  iterations of
 example ex15  of PETSc on the  Juqueen architecture. Different  numbers of cores
 are  studied ranging  from  2,048  up-to 16,383.   Two  preconditioners have  been
 tested: {\it mg} and {\it sor}.   For those experiments,  the number  of components  (or unknowns  of the
-problems)  per processor  is fixed  to 25,000,  also called  weak  scaling. This
+problems)  per core  is fixed  to 25,000,  also called  weak  scaling. This
 number can seem relatively small. In fact, for some applications that need a lot
 of  memory, the  number of  components per  processor requires  sometimes  to be
 small.
@@ -943,7 +983,7 @@ the number of iterations. So, the overall benefit of using TSIRM is interesting.
 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
 \hline
 
-  nb. cores & threshold   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM LSQR} & best gain \\ 
+  nb. cores & threshold   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM 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 \\
@@ -956,7 +996,7 @@ the number of iterations. So, the overall benefit of using TSIRM is interesting.
 \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.}
+\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 (restart=30, s=12),  time is expressed in seconds.}
 \label{tab:04}
 \end{center}
 \end{table*}
@@ -970,9 +1010,9 @@ In Table~\ref{tab:04}, some experiments with example ex54 on the Curie architect
 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
 \hline
 
-  nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM LSQR} & best gain & \multicolumn{3}{c|}{efficiency} \\ 
+  nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{FGMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSIRM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSIRM 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
+                    & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. &   & FGMRES & 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\\
@@ -982,7 +1022,7 @@ In Table~\ref{tab:04}, some experiments with example ex54 on the Curie architect
 \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.}
+\caption{Comparison of FGMRES  and TSIRM with FGMRES 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, threshold 5e-5),  time is expressed in seconds.}
 \label{tab:05}
 \end{center}
 \end{table*}
@@ -1007,13 +1047,22 @@ In Table~\ref{tab:04}, some experiments with example ex54 on the Curie architect
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
+A novel two-stage iterative  algorithm has been proposed in this article,
+in order to accelerate the convergence Krylov iterative  methods.
+Our TSIRM proposal acts as a merger between Krylov based solvers and
+a least-squares minimization step.
+The convergence of the method has been proven in some situations, while 
+experiments up to 16,394 cores have been led to verify that TSIRM runs
+5 or  7 times  faster than GMRES.
 
-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
+
+For future work, the authors' intention is to investigate 
+other kinds of matrices, problems, and inner solvers. The 
+influence of all parameters must be tested too, while 
+other methods to minimize the residuals must be regarded.
+The number of outer iterations to minimize should become 
+adaptative to improve the overall performances of the proposal.
+Finally, this solver will be implemented inside PETSc.
 
 
 % conference papers do not normally have an appendix
@@ -1025,7 +1074,7 @@ future plan : \\
 %%%*********************************************************
 \section*{Acknowledgment}
 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
+ANR-11-LABX-01-01).   We acknowledge PRACE  for awarding  us access  to resources
 Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
 
 
@@ -1068,4 +1117,3 @@ Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
 
 % that's all folks
 \end{document}
-