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Private GIT Repository
12-10-2014 09
[GMRES2stage.git] / paper.tex
index bf9e767c64f4e0b6780e51b6506acfdc91dc9403..59c5600176bf59910b53c6887d1eba5854677d7e 100644 (file)
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 % 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}
 Email: \{raphael.couturier,christophe.guyeux\}@univ-fcomte.fr}
 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2} INRIA Bordeaux Sud-Ouest, France\\
 Email: lilia.ziane@inria.fr}
@@ -439,7 +439,7 @@ GMRES.
 \end{abstract}
 
 \begin{IEEEkeywords}
 \end{abstract}
 
 \begin{IEEEkeywords}
-Iterative Krylov methods; sparse linear systems; residual minimization; PETSc; %à voir... 
+Iterative Krylov methods; sparse linear systems; two stage iteration; least-squares residual minimization; PETSc
 \end{IEEEkeywords}
 
 
 \end{IEEEkeywords}
 
 
@@ -547,38 +547,42 @@ Iterative Krylov methods; sparse linear systems; residual minimization; PETSc; %
 % You must have at least 2 lines in the paragraph with the drop letter
 % (should never be an issue)
 
 % You must have at least 2 lines in the paragraph with the drop letter
 % (should never be an issue)
 
-Iterative methods have recently become more attractive than  direct ones to  solve very large
-sparse  linear systems.  They are more  efficient  in a  parallel
-context,  supporting  thousands  of  cores,  and they require  less  memory  and  arithmetic
-operations than direct  methods. This is why new iterative  methods are frequently 
-proposed or adapted by researchers, and the increasing need to solve very large sparse
-linear  systems  has triggered the  development  of such efficient iterative  techniques
-suitable for parallel processing.
-
-Most of the successful iterative methods currently available are based on so-called ``Krylov
-subspaces''. They  consist in forming a  basis of successive matrix
-powers multiplied by an initial vector, which can be for instance the residual. These methods use vectors orthogonality of the Krylov  subspace  basis in order to solve  linear
-systems.  The  most known iterative  Krylov subspace methods  are conjugate
-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
+Iterative methods have recently become more attractive than direct ones to solve
+very large sparse  linear systems\cite{Saad2003}.  They are more  efficient in a
+parallel context,  supporting thousands of  cores, and they require  less memory
+and  arithmetic operations than  direct methods~\cite{bahicontascoutu}.  This is
+why new iterative methods are frequently proposed or adapted by researchers, and
+the increasing need to solve very  large sparse linear systems has triggered the
+development  of  such  efficient  iterative  techniques  suitable  for  parallel
+processing.
+
+Most  of the  successful  iterative  methods currently  available  are based  on
+so-called ``Krylov  subspaces''. They consist  in forming a basis  of successive
+matrix powers  multiplied by an  initial vector, which  can be for  instance the
+residual. These methods  use vectors orthogonality of the  Krylov subspace basis
+in  order to solve  linear systems.   The most  known iterative  Krylov subspace
+methods are conjugate 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   achieve  matrix-vector
 multiplications. The  communications on large  clusters with thousands  of cores
 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
-with preconditioners in practice, to increase their convergence and accelerate their
-performances.  However, most  of the  good preconditioners  are not  scalable on
-large clusters.
-
-In this research work, a two-stage algorithm based on  two nested iterations
-called inner-outer  iterations is proposed.  This algorithm  consists in solving  the sparse
-linear system iteratively  with a small number of  inner iterations, and restarting
-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. Furthermore,  the   minimization  technique   improves  its   convergence  and
-performances.
+and large sizes  of messages can significantly affect  the performances of these
+iterative methods. As a consequence, Krylov subspace iteration methods are often
+used  with  preconditioners  in  practice,  to increase  their  convergence  and
+accelerate their  performances.  However, most  of the good  preconditioners are
+not scalable on large clusters.
+
+In  this research work,  a two-stage  algorithm based  on two  nested iterations
+called inner-outer  iterations is proposed.  This algorithm  consists in solving
+the sparse  linear system iteratively with  a small number  of inner iterations,
+and  restarting  the  outer step  with  a  new  solution minimizing  some  error
+functions  over some previous  residuals. For  further information  on two-stage
+iteration      methods,     interested      readers      are     invited      to
+consult~\cite{Nichols:1973:CTS}. Two-stage algorithms are easy to parallelize on
+large clusters.  Furthermore,  the least-squares minimization technique improves
+its convergence and performances.
 
 The present  article is  organized as follows.   Related works are  presented in
 Section~\ref{sec:02}. Section~\ref{sec:03} details the two-stage algorithm using
 
 The present  article is  organized as follows.   Related works are  presented in
 Section~\ref{sec:02}. Section~\ref{sec:03} details the two-stage algorithm using
@@ -597,7 +601,15 @@ is summarized while intended perspectives are provided.
 %%%*********************************************************
 \section{Related works}
 \label{sec:02} 
 %%%*********************************************************
 \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.
+Krylov subspace iteration methods have increasingly become useful and successful techniques for solving linear and nonlinear systems and eigenvalue problems, especially since the increase development of the preconditioners~\cite{Saad2003,Meijerink77}. One reason of the popularity of these methods is their generality, simplicity and efficiency to solve systems of equations arising from very large and complex problems. %A Krylov method is based on a projection process onto a Krylov subspace spanned by vectors and it forms a sequence of approximations by minimizing the residual over the subspace formed~\cite{}.
+
+GMRES is one of the most widely used Krylov iterative method for solving sparse and large linear systems. It is developed by Saad and al.~\cite{Saad86} as a generalized method to deal with unsymmetric and non-Hermitian problems, and indefinite symmetric problems too. In its original version called full GMRES, it minimizes the residual over the current Krylov subspace until convergence in at most $n$ iterations, where $n$ is the size of the sparse matrix. It should be noted that full GMRES is too expensive in the case of large matrices since the required orthogonalization process per iteration grows quadratically with the number of iterations. For that reason, in practice GMRES is restarted after each $m\ll n$ iterations to avoid the storage of a large orthonormal basis. However, the convergence behavior of the restarted GMRES, called GMRES($m$), in many cases depends quite critically on the value of $m$~\cite{Huang89}. Therefore in most cases, a preconditioning technique is applied to the restarted GMRES method in order to improve its convergence.
+
+In order to enhance the robustness of Krylov iterative solvers, some techniques have been proposed allowing the use of different preconditioners, if necessary, within the iteration instead of restarting. Those techniques may lead to considerable savings in CPU time and memory requirements. Van der Vorst in~\cite{Vorst94} has proposed variants of the GMRES algorithm in which a different preconditioner is applied in each iteration, so-called GMRESR family of nested methods. In fact, the GMRES method is effectively preconditioned with other iterative schemes (or GMRES itself), where the iterations of the GMRES method are called outer iterations while the iterations of the preconditioning process referred to as inner iterations. Saad in~\cite{Saad:1993} has proposed FGMRES which is another variant of the GMRES algorithm using a variable preconditioner. In FGMRES the search directions are preconditioned whereas in GMRESR the residuals are preconditioned. However in practice the good preconditioners are those based on direct methods, as ILU preconditioners, which are not easy to parallelize and suffer from the scalability problems on large clusters of thousands of cores.  
+
+Recently, communication-avoiding methods have been developed to reduce the communication overheads in Krylov subspace iterative solvers. On modern computer architectures, communications between processors are much slower than floating-point arithmetic operations on a given processor. Communication-avoiding techniques reduce either communications between processors or data movements between levels of the memory hierarchy, by reformulating the communication-bound kernels (more frequently SpMV kernels) and the orthogonalization operations within the Krylov iterative solver. Different works have studied the communication-avoiding methods for multicore processors and multi-GPU machines~\cite{}. 
+
+
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 %%%*********************************************************
 
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 %%%*********************************************************
 
@@ -618,22 +630,23 @@ 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.
 
 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}
 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  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
 
 
 In  practice, $R$  is a  dense rectangular  matrix belonging in  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
@@ -649,11 +662,10 @@ appropriate than a single 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 (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}
-    \If {$k \mod s=0$ {\bf and} error$>\epsilon_{kryl}$}
+  \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence ($error<\epsilon_{tsirm}$)} \label{algo:conv}
+    \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:}
       \State $x_k=S\alpha$  \Comment{compute new solution}
       \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix} \label{algo:matrix_mul}
             \State $\alpha=Least\_Squares(R,b,max\_iter_{ls})$ \label{algo:}
       \State $x_k=S\alpha$  \Comment{compute new solution}
@@ -663,18 +675,22 @@ appropriate than a single direct method in a parallel context.
 \label{algo:01}
 \end{algorithm}
 
 \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}
 
 Let us summarize the most important parameters of TSIRM:
 \begin{itemize}
@@ -686,13 +702,13 @@ Let us summarize the most important parameters of TSIRM:
 \end{itemize}
 
 
 \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
 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
 interesting to solve the least-squares minimization, CGLS and LSQR.
 
 In the following  we remind the CGLS algorithm. The LSQR  method follows more or
@@ -735,17 +751,79 @@ these operations are easy to implement in PETSc or similar environment.
 
 \section{Convergence results}
 \label{sec:04}
 
 \section{Convergence results}
 \label{sec:04}
-Let us recall the following result, see~\cite{Saad86}.
+
+
+We can now claim that,
 \begin{proposition}
 \begin{proposition}
-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:
+\label{prop:saad}
+If $A$ is either a definite positive or a positive 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 have the following boundaries:
+\begin{itemize}
+\item when $A$ is positive:
 \begin{equation}
 \begin{equation}
-||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_0|| ,
+||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0|| ,
 \end{equation}
 \end{equation}
-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 $A$.
+where $M$ is the symmetric part of $A$, $\alpha = \lambda_{min}(M)^2$ and $\beta = \lambda_{max}(A^T A)$;
+\item when $A$ is positive definite:
+\begin{equation}
+\|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_0\|.
+\end{equation}
+\end{itemize}
+%In the general case, where A is not positive definite, we have
+%$\|r_n\| \le \inf_{p \in P_n} \|p(A)\| \le \kappa_2(V) \inf_{p \in P_n} \max_{\lambda \in \sigma(A)} |p(\lambda)| \|r_0\|, .$
 \end{proposition}
 
 \end{proposition}
 
+\begin{proof}
+Let us first recall that the residue is under control when considering the GMRES algorithm on a positive definite matrix, and it is bounded as follows:
+\begin{equation*}
+\|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{k/2} \|r_0\| .
+\end{equation*}
+Additionally, when $A$ 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 $\alpha$ and $\beta$ are defined as in Proposition~\ref{prop:saad}, which proves 
+the convergence of GMRES($m$) for all $m$ under such assumptions regarding $A$.
+These well-known results can be found, \emph{e.g.}, in~\cite{Saad86}.
 
 
+We will now prove by a mathematical induction that, for each $k \in \mathbb{N}^\ast$, 
+$||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{mk}{2}} ||r_0||$ when $A$ is positive, and $\|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_0\|$ when $A$ is positive definite.
+
+The base case is obvious, as for $k=1$, the TSIRM algorithm simply consists in applying GMRES($m$) once, leading to a new residual $r_1$ that follows the inductive hypothesis due, to the results recalled above.
+
+Suppose now that the claim holds for all $m=1, 2, \hdots, k-1$, that is, $\forall m \in \{1,2,\hdots, k-1\}$, $||r_m|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$ in the positive case, and $\|r_k\| \leq \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_0\|$ in the definite positive one.
+We will show that the statement holds too for $r_k$. Two situations can occur:
+\begin{itemize}
+\item If $k \not\equiv 0 ~(\textrm{mod}\ m)$, then the TSIRM algorithm consists in executing GMRES once. In that case and by using the inductive hypothesis, we obtain either $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$ if $A$ is positive, or $\|r_k\| \leqslant \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{m/2} \|r_{k-1}\|$ $\leqslant$ $\left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_{0}\|$ in the positive definite case.
+\item Else, the TSIRM algorithm consists in two stages: a first GMRES($m$) execution leads to a temporary $x_k$ whose residue satisfies:
+\begin{itemize}
+\item $||r_k|| \leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{m}{2}} ||r_{k-1}||\leqslant \left(1-\dfrac{\alpha}{\beta}\right)^{\frac{km}{2}} ||r_0||$ in the positive case, 
+\item $\|r_k\| \leqslant \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{m/2} \|r_{k-1}\|$ $\leqslant$ $\left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_{0}\|$ in the positive definite one,
+\end{itemize}
+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||, \textrm{ if $A$ is positive,}\\
+& \leqslant \left( 1-\frac{\lambda_{\mathrm{min}}^2(1/2(A^T + A))}{ \lambda_{\mathrm{max}}(A^T A)} \right)^{km/2} \|r_{0}\|, \textrm{ if $A$ is}\\
+& \textrm{positive definite,} 
+\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.
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
@@ -753,11 +831,13 @@ the convergence of GMRES($m$) for all $m$ under that assumption regarding $A$.
 \label{sec:05}
 
 
 \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 are given.
+In order to see the behavior of the proposal when considering only one processor, a first
+comparison with GMRES or FGMRES and the new algorithm detailed previously has been experimented. 
+Matrices that have been used with their characteristics (names, fields, rows, and nonzero coefficients) are detailed in 
+Table~\ref{tab:01}.  These latter, which are real-world applications matrices, 
+have been extracted 
+ from   the  Davis  collection,   University  of
+Florida~\cite{Dav97}.
 
 \begin{table}[htbp]
 \begin{center}
 
 \begin{table}[htbp]
 \begin{center}
@@ -777,8 +857,9 @@ torso3             & 2D/3D problem & 259,156 & 4,429,042 \\
 \label{tab:01}
 \end{center}
 \end{table}
 \label{tab:01}
 \end{center}
 \end{table}
-
-The following  parameters have been chosen  for our experiments.   As by default
+Chosen parameters are detailed below.
+%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 (\emph{i.e.} $max\_iter_{kryl}=30$).  $s$ is set to 8. CGLS is
 chosen  to minimize  the least-squares  problem with  the  following parameters:
 the restart  of GMRES is performed every  30 iterations, we have  chosen to stop
 the GMRES every 30 iterations (\emph{i.e.} $max\_iter_{kryl}=30$).  $s$ is set to 8. CGLS is
 chosen  to minimize  the least-squares  problem with  the  following parameters:
@@ -790,13 +871,14 @@ 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
 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 TSIRM,  the same  solver and  the same
-preconditionner are used.  This Table shows that TSIRM 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.
+GRMES or  FGMRES (Flexible  GMRES)~\cite{Saad:1993} is used  to solve  the linear
+system.   According to  the matrices,  different preconditioner  is  used.  With
+TSIRM, the same solver and the  same preconditionner are used.  This Table shows
+that  TSIRM  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}[htbp]
 
 
 \begin{table}[htbp]
@@ -817,7 +899,7 @@ torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\
 \hline
 
 \end{tabular}
 \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}
 \label{tab:02}
 \end{center}
 \end{table}
@@ -826,7 +908,7 @@ 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}
 of PETSc. Those  applications are available in the ksp part  which is suited for
 scalable linear equations solvers:
 \begin{itemize}
@@ -839,15 +921,35 @@ 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}
   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  many situations, using  preconditioners is  essential in  order to  find the
+solution of a linear system.  There are many preconditioners available in PETSc.
+For parallel applications all  the preconditioners based on matrix factorization
+are  not  available. In  our  experiments, we  have  tested  different kinds  of
+preconditioners, however  as it is  not the subject  of this paper, we  will not
+present results with many preconditioners. In  practise, we have chosen to use a
+multigrid (mg)  and successive  over-relaxation (sor). For  more details  on the
+preconditioner in PETSc please consult~\cite{petsc-web-page}.
 
 
-In the following larger experiments are described on two large scale architectures: Curie and Juqeen... {\bf description...}\\
 
 
 
 
-{\bf Description of preconditioners}\\
-
 \begin{table*}[htbp]
 \begin{center}
 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
 \begin{table*}[htbp]
 \begin{center}
 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
@@ -874,9 +976,8 @@ In the following larger experiments are described on two large scale architectur
 
 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
 
 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
+are  studied ranging  from  2,048  up-to 16,383 with the two preconditioners {\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.
 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.
@@ -905,7 +1006,7 @@ 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
 
 
 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
+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,
 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,
@@ -923,7 +1024,7 @@ 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
 
 \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 \\
 \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 \\
@@ -936,23 +1037,55 @@ the number of iterations. So, the overall benefit of using TSIRM is interesting.
 \hline
 
 \end{tabular}
 \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*}
 
 
 \label{tab:04}
 \end{center}
 \end{table*}
 
 
-In Table~\ref{tab:04}, some experiments with example ex54 on the Curie architecture are reported.
-
+In  Table~\ref{tab:04},  some  experiments   with  example  ex54  on  the  Curie
+architecture are reported.  For this  application, we fixed $\alpha=0.6$.  As it
+can be seen in that Table, the size of the problem has a strong influence on the
+number of iterations to reach the  convergence. That is why we have preferred to
+change the threshold.  If we set  it to $1e-3$ as with the previous application,
+only one iteration is necessray  to reach the convergence. So Table~\ref{tab:04}
+shows the results  of differents executions with differents  number of cores and
+differents thresholds. As  with the previous example, we  can observe that TSIRM
+is faster than FGMRES. The ratio greatly depends on the number of iterations for
+FMGRES to reach the threshold. The greater the number of iterations to reach the
+convergence is, the  better the ratio between our algorithm  and FMGRES is. This
+experiment is  also a  weak scaling with  approximately $25,000$  components per
+core. It can also  be observed that the difference between CGLS  and LSQR is not
+significant. Both can be good but it seems not possible to know in advance which
+one will be the best.
+
+Table~\ref{tab:05} show a strong scaling experiment with the exemple ex54 on the
+Curie  architecture. So  in  this case,  the  number of  unknownws  is fixed  to
+$204,919,225$ and the number of cores ranges from $512$ to $8192$ with the power
+of two.  The  threshold is fixed to $5e-5$ and only  the $mg$ preconditioner has
+been tested. Here  again we can see that TSIRM is  faster that FGMRES. Efficiecy
+of each algorithms is reported. It  can be noticed that FGMRES is more efficient
+than TSIRM except with $8,192$ cores and that its efficiency is greater that one
+whereas the  efficiency of TSIRM is  lower than one. Nevertheless,  the ratio of
+TSIRM  with any  version  of the  least-squares  method is  always faster.  With
+$8,192$ cores when the number of iterations is far more important for FGMRES, we
+can see that it is only slightly more important for TSIRM.
+
+In  Figure~\ref{fig:02}  we report  the  number  of  iterations per  second  for
+experiments  reported in  Table~\ref{tab:05}.  This Figure  highlights that  the
+number of iterations per  seconds is more of less the same  for FGMRES and TSIRM
+with a little advantage for FGMRES. It  can be explained by the fact that, as we
+have previously explained, that the iterations of the least-sqaure steps are not
+taken into account with TSIRM.
 
 \begin{table*}[htbp]
 \begin{center}
 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
 \hline
 
 
 \begin{table*}[htbp]
 \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|}{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}
 \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\\
    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\\
@@ -962,7 +1095,7 @@ In Table~\ref{tab:04}, some experiments with example ex54 on the Curie architect
 \hline
 
 \end{tabular}
 \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*}
 \label{tab:05}
 \end{center}
 \end{table*}
@@ -974,6 +1107,26 @@ In Table~\ref{tab:04}, some experiments with example ex54 on the Curie architect
 \label{fig:02}
 \end{figure}
 
 \label{fig:02}
 \end{figure}
 
+
+Concerning the  experiments some  other remarks are  interesting.
+\begin{itemize}
+\item We  can tested other examples of  PETSc (ex29, ex45, ex49).  For all these
+  examples,  we also obtained  similar gain  between GMRES  and TSIRM  but those
+  examples are  not scalable with many  cores. In general, we  had some problems
+  with more than $4,096$ cores.
+\item We have tested many iterative  solvers available in PETSc.  In fast, it is
+  possible to use most of them with TSIRM. From our point of view, the condition
+  to  use  a  solver inside  TSIRM  is  that  the  solver  must have  a  restart
+  feature. More  precisely, the solver must  support to be  stoped and restarted
+  without decrease its  converge. That is why  with GMRES we stop it  when it is
+  naturraly  restarted (i.e.  with  $m$ the  restart parameter).   The Conjugate
+  Gradient (CG) and all its variants do not have ``restarted'' version in PETSc,
+  so they  are not  efficient.  They  will converge with  TSIRM but  not quickly
+  because if  we compare  a normal CG  with a CG  for which  we stop it  each 16
+  iterations  for example,  the  normal CG  will  be for  more efficient.   Some
+  restarted CG  or CG variant versions exist  and may be interested  to study in
+  future works.
+\end{itemize}
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@@ -987,13 +1140,23 @@ In Table~\ref{tab:04}, some experiments with example ex54 on the Curie architect
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+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. This  would be very interesting because it would  allow us to test
+all the non-linear  examples and compare our algorithm  with the other algorithm
+implemented in PETSc.
 
 
 % conference papers do not normally have an appendix
 
 
 % conference papers do not normally have an appendix
@@ -1005,7 +1168,7 @@ future plan : \\
 %%%*********************************************************
 \section*{Acknowledgment}
 This  paper  is   partially  funded  by  the  Labex   ACTION  program  (contract
 %%%*********************************************************
 \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.
 
 
 Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
 
 
@@ -1048,5 +1211,3 @@ Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
 
 % that's all folks
 \end{document}
 
 % that's all folks
 \end{document}
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