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

Private GIT Repository
new
[GMRES2stage.git] / paper.tex
index e927821335a5e68dbe42b6331e012524088dcebb..16beac7e509d9b87c1bd444249ad71a7807fe5cd 100644 (file)
--- a/paper.tex
+++ b/paper.tex
 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
 
 \newtheorem{proposition}{Proposition}
-\newtheorem{proof}{Proof}
 
 \begin{document}
 %
 % 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\\
+\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}
@@ -565,7 +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
@@ -619,22 +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  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
@@ -651,8 +651,7 @@ 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  $[x_k,error]=Solve(A,b,x_{k-1},max\_iter_{kryl})$   \label{algo:solve}
     \State $S_{k \mod s}=x_k$ \label{algo:store}
     \If {$k \mod s=0$ {\bf and} error$>\epsilon_{kryl}$}
       \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix} \label{algo:matrix_mul}
@@ -664,18 +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}
@@ -687,13 +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
@@ -736,8 +739,9 @@ 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|| ,
@@ -746,19 +750,49 @@ where $\alpha = \lambda_{min}(M)^2$ and $\beta = \lambda_{max}(A^T A)$, which pr
 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, 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 $k \in \mathbb{N}^\ast$, 
+$||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{mk}{2}} ||r_0||.$
 
+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,\\
+$\min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-R\alpha ||_2 = \min_{\alpha \in \mathbb{R}^s} ||b-AS\alpha ||_2$
+
+$\begin{array}{ll}
+& = \min_{x \in span\left(S_{k-s+1}, S_{k-s+2}, \hdots, S_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\
+& = \min_{x \in span\left(x_{k-s+1}, x_{k-s}+2, \hdots, x_{k} \right)} ||b-AS\alpha ||_2\\
+& \leqslant \min_{x \in span\left( x_{k} \right)} ||b-Ax ||_2\\
+& \leqslant \min_{\lambda \in \mathbb{R}} ||b-\lambda Ax_{k} ||_2\\
+& \leqslant ||b-Ax_{k}||_2\\
+& = ||r_k||_2\\
+& \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||,
+\end{array}$
+\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.
+
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 \section{Experiments using PETSc}
@@ -829,7 +863,7 @@ 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}
@@ -838,7 +872,7 @@ 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}
@@ -851,14 +885,26 @@ 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... {\bf description...}\\
+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.
 
 
-{\bf Description of preconditioners}
+
+{\bf Description of preconditioners}\\
 
 \begin{table*}[htbp]
 \begin{center}
@@ -879,27 +925,27 @@ In the following larger experiments are described on two large scale architectur
 \hline
 
 \end{tabular}
-\caption{Comparison of FGMRES and TSIRM with FGMRES for example ex15 of PETSc with two preconditioner (mg and sor) with 25,000 components per core on Juqueen (threshold 1e-3, restart=30, s=12),  time is expressed in seconds.}
+\caption{Comparison of FGMRES and TSIRM with FGMRES for example ex15 of PETSc with two preconditioners (mg and sor) with 25,000 components per core on Juqueen (threshold 1e-3, restart=30, s=12),  time is expressed in seconds.}
 \label{tab:03}
 \end{center}
 \end{table*}
 
 Table~\ref{tab:03} shows  the execution  times and the  number of  iterations of
-example ex15  of PETSc on the  Juqueen architecture. Differents  number of cores
-are  studied rangin  from  2,048  upto 16,383.   Two  preconditioners have  been
-tested.   For those experiments,  the number  of components  (or unknown  of the
-problems)  per processor  is fixed  to 25,000,  also called  weak  scaling. This
+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 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.
 
 
 
-In this Table, we  can notice that TSIRM is always faster  than FGMRES. The last
+In Table~\ref{tab:03}, we  can notice that TSIRM is always faster  than FGMRES. The last
 column shows the ratio between FGMRES and the best version of TSIRM according to
 the minimization  procedure: CGLS or  LSQR. Even if  we have computed  the worst
-case  between CGLS  and LSQR,  it is  clear that  TSIRM is  alsways  faster than
-FGMRES. For this example, the  multigrid preconditionner is faster than SOR. The
+case  between CGLS  and LSQR,  it is  clear that  TSIRM is  always  faster than
+FGMRES. For this example, the  multigrid preconditioner is faster than SOR. The
 gain  between   TSIRM  and  FGMRES  is   more  or  less  similar   for  the  two
 preconditioners.  Looking at the number  of iterations to reach the convergence,
 it is  obvious that TSIRM allows the  reduction of the number  of iterations. It
@@ -917,10 +963,10 @@ corresponds to 30*12, there are $max\_iter_{ls}$ which corresponds to 15.
 
 
 In  Figure~\ref{fig:01}, the number  of iterations  per second  corresponding to
-Table~\ref{tab:01}  is  displayed.   It  can  be  noticed  that  the  number  of
-iterations per second of FMGRES is  constant whereas it decrease with TSIRM with
-both preconditioner. This  can be explained by the fact that  when the number of
-core increases the time for the minimization step also increases but, generally,
+Table~\ref{tab:03}  is  displayed.   It  can  be  noticed  that  the  number  of
+iterations per second of FMGRES is  constant whereas it decreases with TSIRM with
+both preconditioners. This  can be explained by the fact that  when the number of
+cores increases the time for the least-squares minimization step also increases but, generally,
 when  the number  of cores  increases,  the number  of iterations  to reach  the
 threshold also increases,  and, in that case, TSIRM is  more efficient to reduce
 the number of iterations. So, the overall benefit of using TSIRM is interesting.
@@ -935,7 +981,7 @@ 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 \\
@@ -948,7 +994,7 @@ 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*}
@@ -962,9 +1008,9 @@ 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\\
@@ -974,7 +1020,7 @@ 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*}
@@ -999,13 +1045,22 @@ 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
@@ -1017,7 +1072,7 @@ 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.