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

Private GIT Repository
update
[GMRES2stage.git] / paper.tex
index c559dda03cd9b5b228f03dbdc0fcc82e10248f45..dd80756de05bbab9ad5aad6523c520d9b459c3f3 100644 (file)
--- a/paper.tex
+++ b/paper.tex
 \usepackage{amsmath}
 \usepackage{amssymb}
 \usepackage{multirow}
+\usepackage{graphicx}
 
 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
@@ -431,15 +432,15 @@ convergence of Krylov iterative methods,  typically those of GMRES variants. The
 principle of  our approach  is to  build an external  iteration over  the Krylov
 method  and to  save  the current  residual  frequently (for  example, for  each
 restart of GMRES). Then after a given number of outer iterations, a minimization
-step is applied on the matrix composed of the save residuals in order to compute
-a  better solution and  make a  new iteration  if necessary.  We prove  that our
-method  has the  same  convergence property  than  the inner  method used.  Some
+step  is applied  on the  matrix composed  of the  saved residuals  in  order to
+compute a better solution and make  a new iteration if necessary.  We prove that
+our method has  the same convergence property than the  inner method used.  Some
 experiments using up  to 16,394 cores show that compared  to GMRES our algorithm
 can be around 7 times faster.
 \end{abstract}
 
 \begin{IEEEkeywords}
-Iterative Krylov methods; sparse linear systems; error minimization; PETSc; %à voir... 
+Iterative Krylov methods; sparse linear systems; residual minimization; PETSc; %à voir... 
 \end{IEEEkeywords}
 
 
@@ -582,11 +583,10 @@ performances.
 
 The present paper is organized  as follows. In Section~\ref{sec:02} some related
 works are presented. Section~\ref{sec:03} presents our two-stage algorithm using
-a  least-square  residual   minimization.  Section~\ref{sec:04}  describes  some
-convergence results on this method.
-   Section~\ref{sec:05}  shows   some
-experimental results obtained on large  clusters of our algorithm using routines
-of PETSc toolkit.
+a  least-square  residual  minimization.   Section~\ref{sec:04}  describes  some
+convergence  results  on this  method.   Section~\ref{sec:05}  shows  some  experimental
+results  obtained on large  clusters of  our algorithm  using routines  of PETSc
+toolkit.  Finally Section~\ref{sec:06} concludes and gives some perspectives.
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
@@ -604,7 +604,7 @@ of PETSc toolkit.
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
-\section{A Krylov two-stage algorithm}
+\section{Two-stage algorithm with least-square residuals minimization}
 \label{sec:03}
 A two-stage algorithm is proposed  to solve large  sparse linear systems  of the
 form  $Ax=b$,  where  $A\in\mathbb{R}^{n\times   n}$  is  a  sparse  and  square
@@ -613,58 +613,115 @@ $b\in\mathbb{R}^n$ is  the right-hand side.  The algorithm is implemented  as an
 inner-outer iteration  solver based  on iterative Krylov  methods. The  main key
 points of our solver are given in Algorithm~\ref{algo:01}.
 
-In order to accelerate the convergence, the outer iteration is implemented as an
-iterative  Krylov method  which minimizes  some  error functions  over a  Krylov
-subspace~\cite{saad96}. At  each iteration, the  sparse linear system  $Ax=b$ is
-solved   iteratively    with   an   iterative   method,    for   example   GMRES
-method~\cite{saad86} or  some of its variants,  and the Krylov  subspace that we
-used is spanned by a basis  $S$ composed of successive solutions issued from the
-inner iteration
-\begin{equation}
-  S = \{x^1, x^2, \ldots, x^s\} \text{,~} s\leq n.
-\end{equation} 
-The advantage  of such a Krylov subspace  is that we neither  need an orthogonal
-basis nor  any synchronization  between processors to  generate this  basis. The
-algorithm  is periodically  restarted every  $s$ iterations  with a  new initial
-guess $x=S\alpha$ which minimizes the residual norm $\|b-Ax\|_2$ over the Krylov
-subspace spanned by  vectors of $S$, where $\alpha$ is a  solution of the normal
-equations
-\begin{equation}
-  R^TR\alpha = R^Tb,
-\end{equation}
-which is associated with the least-squares problem
+In order to accelerate the convergence, the outer iteration periodically applies
+a least-square minimization  on the residuals computed by  the inner solver. The
+inner solver is based on a Krylov method which does not require to be changed.
+
+At each outer iteration, the sparse linear system $Ax=b$ is solved, only for $m$
+iterations, using an iterative method restarting with the previous solution. For
+example, the GMRES method~\cite{Saad86} or some of its variants can be used as a
+inner solver. The current solution of the Krylov method is saved inside a matrix
+$S$ composed of successive solutions computed by the inner iteration.
+
+Periodically, every $s$ iterations, the minimization step is applied in order to
+compute a new  solution $x$. For that, the previous  residuals are computed 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}
-such  that $R=AS$  is a  dense rectangular  matrix in  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
-$s\ll n$,  and $R^T$ denotes  the transpose of  matrix $R$. We use  an iterative
-method   to  solve   the  least-squares   problem~(\ref{eq:01})  such   as  CGLS
-~\cite{hestenes52}  or LSQR~\cite{paige82}  which  are more  appropriate than  a
-direct method in the parallel context.
+with $R=AS$. Then the new solution $x$ is computed with $x=S\alpha$.
+
+
+In  practice, $R$  is a  dense rectangular  matrix in  $\mathbb{R}^{n\times s}$,
+$s\ll n$.   In order  to minimize~(\ref{eq:01}), a  least-square method  such as
+CGLS ~\cite{Hestenes52}  or LSQR~\cite{Paige82} is used. Those  methods are more
+appropriate than a direct method in a parallel context.
 
 \begin{algorithm}[t]
-\caption{A Krylov two-stage algorithm}
+\caption{TSARM}
 \begin{algorithmic}[1]
   \Input $A$ (sparse matrix), $b$ (right-hand side)
   \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
   \State Set the initial guess $x^0$
-  \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence} \label{algo:conv}
-    \State Solve iteratively $Ax^k=b$  \label{algo:solve}
-    \State $S_{k~mod~s}=x^k$ 
-    \If {$k$ mod $s=0$ {\bf and} not convergence}
-      \State Compute dense matrix $R=AS$
-      \State Solve least-squares problem $\underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2$
-      \State Compute minimizer $x^k=S\alpha$
+  \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence (error$<\epsilon_{tsarm}$)} \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$>\epsilon_{tsarm}$}
+      \State $R=AS$ \Comment{compute dense matrix} \label{algo:matrix_mul}
+      \State Solve least-squares problem $\underset{\alpha\in\mathbb{R}^{s}}{min}\|b-R\alpha\|_2$ \label{algo:}
+      \State $x^k=S\alpha$  \Comment{compute new solution}
     \EndIf
   \EndFor
 \end{algorithmic}
 \label{algo:01}
 \end{algorithm}
 
-Operation $S_{k~  mod~ s}=x^k$ consists in  copying the residual  $x_k$ 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.
+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 TSARM  algorithm  (i.e.
+$\epsilon_{tsarm}$).  Line~\ref{algo:store}, $S_{k~ mod~ s}=x^k$ consists in copying the
+solution  $x_k$  into the  column  $k~  mod~ s$ of  the  matrix  $S$. After  the
+minimization, the matrix $S$ is reused with the new values of the residuals.  To
+solve the minimization problem, an  iterative method is used. Two parameters are
+required for that: the maximum number of iteration and the threshold to stop the
+method.
+
+To summarize, the important parameters of TSARM are:
+\begin{itemize}
+\item $\epsilon_{tsarm}$ the threshold to stop the TSARM method
+\item $max\_iter_{kryl}$ the maximum number of iterations for the krylov method
+\item $s$ the number of outer iterations before applying the minimization step
+\item $max\_iter_{ls}$ the maximum number of iterations for the iterative least-square method
+\item $\epsilon_{ls}$ the threshold to stop the least-square method
+\end{itemize}
+
+
+The  parallelisation  of  TSARM  relies   on  the  parallelization  of  all  its
+parts. More  precisely, except  the least-square step,  all the other  parts are
+obvious to  achieve out in parallel. In  order to develop a  parallel version of
+our   code,   we   have   chosen  to   use   PETSc~\cite{petsc-web-page}.    For
+line~\ref{algo:matrix_mul} the  matrix-matrix multiplication is  implemented and
+efficient since the  matrix $A$ is sparse and since the  matrix $S$ contains few
+colums in  practice. As explained  previously, at least  two methods seem  to be
+interesting to solve the least-square minimization, CGLS and LSQR.
+
+In the following  we remind the CGLS algorithm. The LSQR  method follows more or
+less the same principle but it take more place, so we briefly explain the parallelization of CGLS which is similar to LSQR.
+
+\begin{algorithm}[t]
+\caption{CGLS}
+\begin{algorithmic}[1]
+  \Input $A$ (matrix), $b$ (right-hand side)
+  \Output $x$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
+  \State $r=b-Ax$
+  \State $p=A'r$
+  \State $s=p$
+  \State $g=||s||^2_2$
+  \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence (g$<\epsilon_{ls}$)} \label{algo2:conv}
+    \State $q=Ap$
+    \State $\alpha=g/||q||^2_2$
+    \State $x=x+alpha*p$
+    \State $r=r-alpha*q$
+    \State $s=A'*r$
+    \State $g_{old}=g$
+    \State $g=||s||^2_2$
+    \State $\beta=g/g_{old}$
+  \EndFor
+\end{algorithmic}
+\label{algo:02}
+\end{algorithm}
+
+
+In each iteration  of CGLS, there is two  matrix-vector multiplications and some
+classical operations:  dots, norm, multiplication  and addition on  vectors. All
+these operations are easy to implement in PETSc or similar environment.
+
+
 
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
@@ -672,6 +729,9 @@ reused with the new values of the residuals.
 \section{Convergence results}
 \label{sec:04}
 
+
+
+
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 \section{Experiments using petsc}
@@ -684,7 +744,7 @@ 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 is given.
 
-\begin{table}
+\begin{table*}
 \begin{center}
 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|} 
 \hline
@@ -701,16 +761,14 @@ torso3             & 2D/3D problem & 259,156 & 4,429,042 \\
 \caption{Main characteristics of the sparse matrices chosen from the Davis collection}
 \label{tab:01}
 \end{center}
-\end{table}
+\end{table*}
 
 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     (line     \ref{algo:solve}    in
-Algorithm~\ref{algo:01}).   $s$ is  set to  8. CGLS  is chosen  to  minimize the
-least-squares  problem.  Two  conditions  are  used to  stop  CGLS,  either  the
-precision is under $1e-40$ or the  number of iterations is greater to $20$.  The
-external   precision    is   set    to   $1e-10$   (line    \ref{algo:conv}   in
-Algorithm~\ref{algo:01}).  Those  experiments have been performed  on a Intel(R)
+the GMRES every 30 iterations, $max\_iter_{kryl}=30$).  $s$ is set to 8. CGLS is
+chosen  to minimize  the least-squares  problem with  the  following parameters:
+$\epsilon_{ls}=1e-40$ and $max\_iter_{ls}=20$.  The external precision is set to
+$\epsilon_{tsarm}=1e-10$.  Those  experiments have been performed  on a Intel(R)
 Core(TM) i7-3630QM CPU @ 2.40GHz with the version 3.5.1 of PETSc.
 
 
@@ -718,13 +776,12 @@ 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 the 2 stage  algorithm, the same solver
-and  the same  preconditionner  is used.   This  Table shows  that  the 2  stage
-algorithm  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.
+different  preconditioner is used.   With TSARM,  the same  solver and  the same
+preconditionner is used.  This Table shows that TSARM 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}
@@ -732,7 +789,7 @@ minimization.
 \begin{tabular}{|c|c|r|r|r|r|} 
 \hline
 
- \multirow{2}{*}{Matrix name}  & Solver /   & \multicolumn{2}{c|}{gmres variant} & \multicolumn{2}{c|}{2 stage CGLS} \\ 
+ \multirow{2}{*}{Matrix name}  & Solver /   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} \\ 
 \cline{3-6}
        &  precond             & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter.  \\\hline \hline
 
@@ -753,14 +810,34 @@ torso3             & fgmres / sor  & 37.70 & 565 & 34.97 & 510 \\
 
 
 
-Larger experiments ....
+
+In order to perform larger  experiments, we have tested some example application
+of PETSc. Those  applications are available in the ksp part  which is suited for
+scalable linear equations solvers:
+\begin{itemize}
+\item ex15  is an example  which solves in  parallel an operator using  a finite
+  difference  scheme.   The  diagonal  is  equals to  4  and  4  extra-diagonals
+  representing the neighbors in each directions  is equal to -1. This example is
+  used  in many  physical phenomena, for  example, heat  and fluid  flow, wave
+  propagation...
+\item ex54 is another example based on 2D problem discretized with quadrilateral
+  finite elements. For this example, the user can define the scaling of material
+  coefficient in embedded circle, it is called $\alpha$.
+\end{itemize}
+For more technical details on  these applications, interested reader are invited
+to  read the  codes available  in the  PETSc sources.   Those problem  have been
+chosen because they  are scalable with many cores. We  have tested other problem
+but they are not scalable with many cores.
+
+
+
 
 \begin{table*}
 \begin{center}
 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
 \hline
 
-  nb. cores & precond   & \multicolumn{2}{c|}{gmres variant} & \multicolumn{2}{c|}{2 stage CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{2 stage LSQR} & best gain \\ 
+  nb. cores & precond   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain \\ 
 \cline{3-8}
              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
   2,048      & mg                    & 403.49   & 18,210    & 73.89  & 3,060   & 77.84  & 3,270  & 5.46 \\
@@ -780,12 +857,23 @@ Larger experiments ....
 \end{table*}
 
 
+\begin{figure}
+\centering
+  \includegraphics[width=0.45\textwidth]{nb_iter_sec_ex15_juqueen}
+\caption{Number of iterations per second with ex15 and the same parameters than in Table~\ref{tab:03}}
+\label{fig:01}
+\end{figure}
+
+
+
+
+
 \begin{table*}
 \begin{center}
 \begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
 \hline
 
-  nb. cores & threshold   & \multicolumn{2}{c|}{gmres variant} & \multicolumn{2}{c|}{2 stage CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{2 stage LSQR} & best gain \\ 
+  nb. cores & threshold   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain \\ 
 \cline{3-8}
              &                       & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. & \\\hline \hline
   2,048      & 8e-5                  & 108.88 & 16,560  & 23.06  &  3,630  & 22.79  & 3,630   & 4.77 \\
@@ -793,7 +881,7 @@ Larger experiments ....
   4,096      & 7e-5                  & 160.59 & 22,530  & 35.15  &  5,130  & 29.21  & 4,350   & 5.49 \\
   4,096      & 6e-5                  & 249.27 & 35,520  & 52.13  &  7,950  & 39.24  & 5,790   & 6.35 \\
   8,192      & 6e-5                  & 149.54 & 17,280  & 28.68  &  3,810  & 29.05  & 3,990  & 5.21 \\
-  8,192      & 5e-5                  & 792.11 & 109,590 & 76.83  &  10,470  & 65.20  & 9,030  & 12.14 \\
+  8,192      & 5e-5                  & 785.04 & 109,590 & 76.07  &  10,470  & 69.42 & 9,030  & 11.30 \\
   16,384     & 4e-5                  & 718.61 & 86,400 & 98.98  &  10,830  & 131.86  & 14,790  & 7.26 \\
 \hline
 
@@ -802,6 +890,33 @@ Larger experiments ....
 \label{tab:04}
 \end{center}
 \end{table*}
+
+
+
+
+
+\begin{table*}
+\begin{center}
+\begin{tabular}{|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|r|} 
+\hline
+
+  nb. cores   & \multicolumn{2}{c|}{GMRES} & \multicolumn{2}{c|}{TSARM CGLS} &  \multicolumn{2}{c|}{TSARM LSQR} & best gain & \multicolumn{3}{c|}{efficiency} \\ 
+\cline{2-7} \cline{9-11}
+                    & Time  & \# Iter.  & Time  & \# Iter. & Time  & \# Iter. &   & GMRES & TS CGLS & TS LSQR\\\hline \hline
+   512              & 3,969.69 & 33,120 & 709.57 & 5,790  & 622.76 & 5,070  & 6.37  &   1    &    1    &     1     \\
+   1024             & 1,530.06  & 25,860 & 290.95 & 4,830  & 307.71 & 5,070 & 5.25  &  1.30  &    1.21  &   1.01     \\
+   2048             & 919.62    & 31,470 & 237.52 & 8,040  & 194.22 & 6,510 & 4.73  & 1.08   &    .75   &   .80\\
+   4096             & 405.60    & 28,380 & 111.67 & 7,590  & 91.72  & 6,510 & 4.42  & 1.22   &  .79     &   .84 \\
+   8192             & 785.04   & 109,590 & 76.07  & 10,470 & 69.42 & 9,030  & 11.30 &   .32  &   .58    &  .56 \\
+
+\hline
+
+\end{tabular}
+\caption{Comparison of FGMRES  and 2 stage FGMRES algorithms for ex54 of Petsc (both with the MG preconditioner) with 204,919,225 components on Curie with different number of cores (restart=30, s=12, threshol 5e-5),  time is expressed in seconds.}
+\label{tab:05}
+\end{center}
+\end{table*}
+
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 
@@ -810,7 +925,7 @@ Larger experiments ....
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
 \section{Conclusion}
-\label{sec:05}
+\label{sec:06}
 %The conclusion goes here. this is more of the conclusion
 %%%*********************************************************
 %%%*********************************************************
@@ -818,6 +933,7 @@ Larger experiments ....
 
 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
@@ -852,23 +968,23 @@ Curie and Juqueen respectively based in France and Germany.
 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
-%\bibliographystyle{IEEEtran}
+\bibliographystyle{IEEEtran}
 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
-%\bibliography{IEEEabrv,../bib/paper}
+\bibliography{biblio}
 %
 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
 % set second argument of \begin to the number of references
 % (used to reserve space for the reference number labels box)
-\begin{thebibliography}{1}
+%% \begin{thebibliography}{1}
 
-\bibitem{saad86} Y.~Saad and M.~H.~Schultz, \emph{GMRES: A Generalized Minimal Residual Algorithm for Solving Nonsymmetric Linear Systems}, SIAM Journal on Scientific and Statistical Computing, 7(3):856--869, 1986.
+%% \bibitem{saad86} Y.~Saad and M.~H.~Schultz, \emph{GMRES: A Generalized Minimal Residual Algorithm for Solving Nonsymmetric Linear Systems}, SIAM Journal on Scientific and Statistical Computing, 7(3):856--869, 1986.
 
-\bibitem{saad96} Y.~Saad, \emph{Iterative Methods for Sparse Linear Systems}, PWS Publishing, New York, 1996.
+%% \bibitem{saad96} Y.~Saad, \emph{Iterative Methods for Sparse Linear Systems}, PWS Publishing, New York, 1996.
 
-\bibitem{hestenes52} M.~R.~Hestenes and E.~Stiefel, \emph{Methods of conjugate gradients for solving linear system}, Journal of Research of National Bureau of Standards, B49:409--436, 1952.
+%% \bibitem{hestenes52} M.~R.~Hestenes and E.~Stiefel, \emph{Methods of conjugate gradients for solving linear system}, Journal of Research of National Bureau of Standards, B49:409--436, 1952.
 
-\bibitem{paige82} C.~C.~Paige and A.~M.~Saunders, \emph{LSQR: An Algorithm for Sparse Linear Equations and Sparse Least Squares}, ACM Trans. Math. Softw. 8(1):43--71, 1982.
-\end{thebibliography}
+%% \bibitem{paige82} C.~C.~Paige and A.~M.~Saunders, \emph{LSQR: An Algorithm for Sparse Linear Equations and Sparse Least Squares}, ACM Trans. Math. Softw. 8(1):43--71, 1982.
+%% \end{thebibliography}