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13-01-2014
[Krylov_multi.git] / krylov_multi.tex
1 \documentclass{article}
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7 \usepackage{algpseudocode}
8
9
10 \title{A scalable multisplitting algorithm for solving large sparse linear systems} 
11
12
13
14 \begin{document}
15 \author{Raphaël Couturier \and Lilia Ziane Khodja}
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17 \maketitle
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20 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
21 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
22
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24 \begin{abstract}
25 In  this  paper we  revist  the  krylov  multisplitting algorithm  presented  in
26 \cite{huang1993krylov}  which  uses  a  scalar  method to  minimize  the  krylov
27 iterations computed by a multisplitting algorithm. Our new algorithm is based on
28 a  parallel multisplitting  algorithm  with few  blocks  of large  size using  a
29 parallel GMRES method inside each block and on a parallel krylov minimization in
30 order to improve the convergence. Some large scale experiments with a 3D Poisson
31 problem  are presented.   They  show  the obtained  improvements  compared to  a
32 classical GMRES both in terms of number of iterations and execution times.
33 \end{abstract}
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37 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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40 \section{Introduction}
41
42 Iterative methods are used to solve  large sparse linear systems of equations of
43 the form  $Ax=b$ because they are  easier to parallelize than  direct ones. Many
44 iterative  methods have  been proposed  and  adapted by  many researchers.   For
45 example, the GMRES method and the  Conjugate Gradient method are very well known
46 and  used by  many researchers  ~\cite{S96}. Both  the method  are based  on the
47 Krylov subspace which consists in forming  a basis of the sequence of successive
48 matrix powers times the initial residual.
49
50 When  solving large  linear systems  with  many cores,  iterative methods  often
51 suffer  from scalability problems.   This is  due to  their need  for collective
52 communications  to  perform  matrix-vector  products and  reduction  operations.
53 Preconditionners can be  used in order to increase  the convergence of iterative
54 solvers.   However, most  of the  good preconditionners  are not  sclalable when
55 thousands of cores are used.
56
57
58 A completer...
59 On ne peut pas parler de tout...\\
60
61
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64 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
65 %% BEGIN
66 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
67 The key idea  of the multisplitting method for  solving a large system
68 of linear equations $Ax=b$ consists  in partitioning the matrix $A$ in
69 $L$ several ways
70 \begin{equation}
71 A = M_l - N_l,~l\in\{1,\ldots,L\},
72 \label{eq01}
73 \end{equation}
74 where $M_l$ are nonsingular matrices. Then the linear system is solved
75 by iteration based on the multisplittings as follows
76 \begin{equation}
77 x^{k+1}=\displaystyle\sum^L_{l=1} E_l M^{-1}_l (N_l x^k + b),~k=1,2,3,\ldots
78 \label{eq02}
79 \end{equation}
80 where $E_l$ are non-negative and diagonal weighting matrices such that
81 $\sum^L_{l=1}E_l=I$ ($I$ is an identity matrix).  Thus the convergence
82 of such a method is dependent on the condition
83 \begin{equation}
84 \rho(\displaystyle\sum^L_{l=1}E_l M^{-1}_l N_l)<1.
85 \label{eq03}
86 \end{equation}
87
88 The advantage of  the multisplitting method is that  at each iteration
89 $k$ there are $L$ different linear sub-systems
90 \begin{equation}
91 v_l^k=M^{-1}_l N_l x_l^{k-1} + M^{-1}_l b,~l\in\{1,\ldots,L\},
92 \label{eq04}
93 \end{equation}
94 to be solved  independently by a direct or  an iterative method, where
95 $v_l^k$  is   the  solution  of   the  local  sub-system.   Thus,  the
96 calculations  of $v_l^k$  may be  performed in  parallel by  a  set of
97 processors.   A multisplitting  method using  an iterative  method for
98 solving the $L$ linear  sub-systems is called an inner-outer iterative
99 method or a  two-stage method.  The results $v_l^k$  obtained from the
100 different splittings~(\ref{eq04}) are combined to compute the solution
101 $x^k$ of the linear system by using the diagonal weighting matrices
102 \begin{equation}
103 x^k = \displaystyle\sum^L_{l=1} E_l v_l^k,
104 \label{eq05}
105 \end{equation}    
106 In the case where the diagonal weighting matrices $E_l$ have only zero
107 and   one   factors  (i.e.   $v_l^k$   are   disjoint  vectors),   the
108 multisplitting method is non-overlapping  and corresponds to the block
109 Jacobi method.
110 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
111 %% END
112 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
113
114 \section{Related works}
115
116
117 A general framework  for studying parallel multisplitting has  been presented in
118 \cite{o1985multi} by O'Leary and White. Convergence conditions are given for the
119 most general case.  Many authors improved multisplitting algorithms by proposing
120 for  example  an  asynchronous  version  \cite{bru1995parallel}  and  convergence
121 conditions  \cite{bai1999block,bahi2000asynchronous}   in  this  case   or  other
122 two-stage algorithms~\cite{frommer1992h,bru1995parallel}.
123
124 In  \cite{huang1993krylov},  the  authors  proposed  a  parallel  multisplitting
125 algorithm in which all the tasks except  one are devoted to solve a sub-block of
126 the splitting  and to send their  local solution to  the first task which  is in
127 charge to  combine the vectors at  each iteration.  These vectors  form a Krylov
128 basis for  which the first task minimizes  the error function over  the basis to
129 increase the convergence, then the other tasks receive the update solution until
130 convergence of the global system. 
131
132
133
134 In \cite{couturier2008gremlins}, the  authors proposed practical implementations
135 of multisplitting algorithms that take benefit from multisplitting algorithms to
136 solve large scale linear systems. Inner  solvers could be based on scalar direct
137 method with the LU method or scalar iterative one with GMRES.
138
139 In~\cite{prace-multi},  the  authors  have  proposed a  parallel  multisplitting
140 algorithm in which large block are solved using a GMRES solver. The authors have
141 performed large scale experimentations upto  32.768 cores and they conclude that
142 asynchronous  multisplitting algorithm  could more  efficient  than traditionnal
143 solvers on exascale architecture with hunders of thousands of cores.
144
145
146 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
147 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
148
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150 \section{A two-stage method with a minimization}
151 Let $Ax=b$ be a given sparse  and large linear system of $n$ equations
152 to  solve  in  parallel   on  $L$  clusters,  physically  adjacent  or
153 geographically distant, where $A\in\mathbb{R}^{n\times n}$ is a square
154 and  nonsingular matrix, $x\in\mathbb{R}^{n}$  is the  solution vector
155 and   $b\in\mathbb{R}^{n}$  is   the  right-hand   side   vector.  The
156 multisplitting of this linear system is defined as follows:
157 \begin{equation}
158 \left\{
159 \begin{array}{lll}
160 A & = & [A_{1}, \ldots, A_{L}]\\
161 x & = & [X_{1}, \ldots, X_{L}]\\
162 b & = & [B_{1}, \ldots, B_{L}]
163 \end{array}
164 \right.
165 \label{sec03:eq01}
166 \end{equation}  
167 where for  $l\in\{1,\ldots,L\}$, $A_l$ is a rectangular  block of size
168 $n_l\times n$ and $X_l$ and  $B_l$ are sub-vectors of size $n_l$, such
169 that  $\sum_ln_l=n$.  In this  case,  we  use  a row-by-row  splitting
170 without overlapping in  such a way that successive  rows of the sparse
171 matrix $A$ and  both vectors $x$ and $b$ are  assigned to one cluster.
172 So,  the multisplitting  format of  the  linear system  is defined  as
173 follows:
174 \begin{equation}
175 \forall l\in\{1,\ldots,L\} \mbox{,~} \displaystyle\sum_{i=1}^{l-1}A_{li}X_i + A_{ll}X_l + \displaystyle\sum_{i=l+1}^{L}A_{li}X_i = B_l, 
176 \label{sec03:eq02}
177 \end{equation} 
178 where $A_{li}$ is  a block of size $n_l\times  n_i$ of the rectangular
179 matrix  $A_l$, $X_i\neq  X_l$ is  a sub-vector  of size  $n_i$  of the
180 solution vector  $x$ and $\sum_{i<l}n_i+\sum_{i>l}n_i+n_l=n$,  for all
181 $i\in\{1,\ldots,l-1,l+1,\ldots,L\}$.
182
183 The multisplitting method proceeds by iteration for solving the linear
184 system in such a way each sub-system
185 \begin{equation}
186 \left\{
187 \begin{array}{l}
188 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
189 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{i=1,i\neq l}^{L}A_{li}X_i,
190 \end{array}
191 \right.
192 \label{sec03:eq03}
193 \end{equation}
194 is solved  independently by a cluster of  processors and communication
195 are required  to update the  right-hand side vectors $Y_l$,  such that
196 the  vectors  $X_i$  represent   the  data  dependencies  between  the
197 clusters. In this work,  we use the parallel GMRES method~\cite{ref34}
198 as     an     inner    iteration     method     for    solving     the
199 sub-systems~(\ref{sec03:eq03}).  It  is a well-known  iterative method
200 which  gives good performances  for solving  sparse linear  systems in
201 parallel on a cluster of processors.
202
203 It should be noted that  the convergence of the inner iterative solver
204 for  the  different  linear  sub-systems~(\ref{sec03:eq03})  does  not
205 necessarily involve  the convergence of the  multisplitting method. It
206 strongly depends on  the properties of the sparse  linear system to be
207 solved                 and                the                computing
208 environment~\cite{o1985multi,ref18}.  Furthermore,  the multisplitting
209 of the  linear system among  several clusters of  processors increases
210 the  spectral radius  of  the iteration  matrix,  thereby slowing  the
211 convergence.  In   this  paper,  we   based  on  the   work  presented
212 in~\cite{huang1993krylov} to increase  the convergence and improve the
213 scalability of the multisplitting methods.
214
215 In  order  to  accelerate  the  convergence, we  implement  the  outer
216 iteration  of the multisplitting  solver as  a Krylov  subspace method
217 which minimizes some error function over a Krylov subspace~\cite{S96}.
218 The Krylov  space of  the method that  we used  is spanned by  a basis
219 composed  of   successive  solutions  issued  from   solving  the  $L$
220 splittings~(\ref{sec03:eq03})
221 \begin{equation}
222 S=\{x^1,x^2,\ldots,x^s\},~s\leq n,
223 \label{sec03:eq04}
224 \end{equation}
225 where   for  $j\in\{1,\ldots,s\}$,  $x^j=[X_1^j,\ldots,X_L^j]$   is  a
226 solution of the  global linear system. The advantage  of such a  Krylov subspace is  that we need  neither an orthogonal basis  nor synchronizations between  the different clusters to generate this basis.
227
228 The  multisplitting   method  is  periodically   restarted  every  $s$
229 iterations  with   a  new  initial   guess  $\tilde{x}=S\alpha$  which
230 minimizes  the error  function $\|b-Ax\|_2$  over the  Krylov subspace
231 spanned  by  the vectors  of  $S$.  So,  $\alpha$  is  defined as  the
232 solution of the large overdetermined linear system
233 \begin{equation}
234 R\alpha=b,
235 \label{sec03:eq05}
236 \end{equation}
237 where $R=AS$  is a  dense rectangular matrix  of size $n\times  s$ and
238 $s\ll n$. This leads us to solve the system of normal equations
239 \begin{equation}
240 R^TR\alpha=R^Tb,
241 \label{sec03:eq06}
242 \end{equation}
243 which is associated with the least squares problem
244 \begin{equation}
245 \text{minimize}~\|b-R\alpha\|_2,
246 \label{sec03:eq07}
247 \end{equation}  
248 where  $R^T$  denotes the  transpose  of  the  matrix $R$.  Since  $R$
249 (i.e.  $AS$) and  $b$  are  split among  $L$  clusters, the  symmetric
250 positive    definite    system~(\ref{sec03:eq06})    is   solved    in
251 parallel. Thus, an  iterative method would be more  appropriate than a
252 direct  one for  solving this  system. We  use the  parallel conjugate
253 gradient method for the normal equations CGNR~\cite{S96,refCGNR}.
254
255 \begin{algorithm}[!t]
256 \caption{A two-stage linear solver with inner iteration GMRES method}
257 \begin{algorithmic}[1]
258 \State Load $A_l$, $B_l$, initial guess $x^0$
259 \State Initialize the minimizer $\tilde{x}^0=x^0$
260 \For {$k=1,2,3,\ldots$ until the global convergence}
261 \State Restart with $x^0=\tilde{x}^{k-1}$: \textbf{for} $j=1,2,\ldots,s$ \textbf{do}
262 \State\hspace{0.5cm} Inner iteration solver: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $j$}
263 \State\hspace{0.5cm} Construct the basis $S$: add the column vector $X_l^j$ to the matrix $S_l^k$
264 \State\hspace{0.5cm} Exchange the local solution vector $X_l^j$ with the neighboring clusters
265 \State\hspace{0.5cm} Compute the dense matrix $R$: $R_l^{k,j}=\sum^L_{i=1}A_{li}X_i^j$ 
266 \State\textbf{end for} 
267 \State Minimization $\|b-R\alpha\|_2$: \Call{UpdateMinimizer}{$S_l$, $R$, $b$, $k$}
268 \State Local solution of the linear system $Ax=b$: $X_l^k=\tilde{X}_l^k$
269 \State Exchange the local minimizer $\tilde{X}_l^k$ with the neighboring clusters
270 \EndFor
271
272 \Statex
273
274 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $j$}
275 \State Compute the local right-hand side: $Y_l = B_l - \sum^L_{i=1,i\neq l}A_{li}X_i^0$
276 \State Solving the local splitting $A_{ll}X_l^j=Y_l$ using the parallel GMRES method, such that $X_l^0$ is the initial guess
277 \State \Return $X_l^j$
278 \EndFunction
279
280 \Statex
281
282 \Function {UpdateMinimizer}{$S_l$, $R$, $b$, $k$}
283 \State Solving the normal equations $(R^k)^TR^k\alpha^k=(R^k)^Tb$ in parallel by $L$ clusters using the parallel CGNR method
284 \State Compute the local minimizer: $\tilde{X}_l^k=S_l^k\alpha^k$
285 \State \Return $\tilde{X}_l^k$
286 \EndFunction
287 \end{algorithmic}
288 \label{algo:01}
289 \end{algorithm}
290
291 The main  key points  of the multisplitting  method for  solving large
292 sparse  linear  systems are  given  in Algorithm~\ref{algo:01}.   This
293 algorithm is based on a two-stage method with a minimization using the
294 GMRES iterative method as an  inner solver. It is executed in parallel
295 by  each cluster  of processors.   The matrices  and vectors  with the
296 subscript  $l$ represent  the local  data for  the cluster  $l$, where
297 $l\in\{1,\ldots,L\}$. The two-stage solver uses two different parallel
298 iterative algorithms: the GMRES method for solving each splitting on a
299 cluster of processors, and the CGNR method executed in parallel by all
300 clusters for  minimizing the function  error over the  Krylov subspace
301 spanned by  $S$.  The  algorithm requires two  global synchronizations
302 between the $L$  clusters. The first one is  performed at line~$12$ in
303 Algorithm~\ref{algo:01}  to exchange  the local  values of  the vector
304 solution $x$ (i.e. the  minimizer $\tilde{x}$) required to restart the
305 multisplitting  solver. The  second  one is  needed  to construct  the
306 matrix $R$ of  the Krylov subspace.  We choose  to perform this latter
307 synchronization $s$  times in every  outer iteration $k$  (line~$7$ in
308 Algorithm~\ref{algo:01}). This is a straightforward way to compute the
309 matrix-matrix    multiplication     $R=AS$.     We    implement    all
310 synchronizations   by   using   the   MPI   collective   communication
311 subroutines.
312
313
314
315
316 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
317 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
318
319 \bibliographystyle{plain}
320 \bibliography{biblio}
321
322 \end{document}