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1 \documentclass{article}
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8
9 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
10 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
11
12 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
13 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
14
15
16 \title{A scalable multisplitting algorithm for solving large sparse linear systems} 
17 \date{}
18
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20
21 \begin{document}
22 \author{Raphaël Couturier \and Lilia Ziane Khodja}
23
24 \maketitle
25
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27 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
28 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
29
30
31 \begin{abstract}
32 In  this paper  we  revisit  the krylov  multisplitting  algorithm presented  in
33 \cite{huang1993krylov}  which  uses  a  scalar  method to  minimize  the  krylov
34 iterations computed by a multisplitting algorithm. Our new algorithm is based on
35 a  parallel multisplitting  algorithm  with few  blocks  of large  size using  a
36 parallel GMRES method inside each block and on a parallel krylov minimization in
37 order to improve the convergence. Some large scale experiments with a 3D Poisson
38 problem  are presented.   They  show  the obtained  improvements  compared to  a
39 classical GMRES both in terms of number of iterations and execution times.
40 \end{abstract}
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44 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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47 \section{Introduction}
48
49 Iterative methods are used to solve  large sparse linear systems of equations of
50 the form  $Ax=b$ because they are  easier to parallelize than  direct ones. Many
51 iterative  methods have  been proposed  and  adapted by  many researchers.   For
52 example, the GMRES method and the  Conjugate Gradient method are very well known
53 and  used by  many researchers  ~\cite{S96}. Both  the method  are based  on the
54 Krylov subspace which consists in forming  a basis of the sequence of successive
55 matrix powers times the initial residual.
56
57 When  solving large  linear systems  with  many cores,  iterative methods  often
58 suffer  from scalability problems.   This is  due to  their need  for collective
59 communications  to  perform  matrix-vector  products and  reduction  operations.
60 Preconditionners can be  used in order to increase  the convergence of iterative
61 solvers.   However, most  of the  good preconditionners  are not  sclalable when
62 thousands of cores are used.
63
64
65 Traditionnal iterative  solvers have  global synchronizations that  penalize the
66 scalability.   Two  possible solutions  consists  either  in using  asynchronous
67 iterative  methods~\cite{ref18} or  to  use multisplitting  algorithms. In  this
68 paper, we will  reconsider the use of a multisplitting  method. In opposition to
69 traditionnal  multisplitting  method  that  suffer  from  slow  convergence,  as
70 proposed  in~\cite{huang1993krylov},  the  use  of a  minimization  process  can
71 drastically improve the convergence.
72
73
74
75
76 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
77 %% BEGIN
78 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
79 The key idea  of the multisplitting method for  solving a large system
80 of linear equations $Ax=b$ consists  in partitioning the matrix $A$ in
81 $L$ several ways
82 \begin{equation}
83 A = M_l - N_l,~l\in\{1,\ldots,L\},
84 \label{eq01}
85 \end{equation}
86 where $M_l$ are nonsingular matrices. Then the linear system is solved
87 by iteration based on the multisplittings as follows
88 \begin{equation}
89 x^{k+1}=\displaystyle\sum^L_{l=1} E_l M^{-1}_l (N_l x^k + b),~k=1,2,3,\ldots
90 \label{eq02}
91 \end{equation}
92 where $E_l$ are non-negative and diagonal weighting matrices such that
93 $\sum^L_{l=1}E_l=I$ ($I$ is an identity matrix).  Thus the convergence
94 of such a method is dependent on the condition
95 \begin{equation}
96 \rho(\displaystyle\sum^L_{l=1}E_l M^{-1}_l N_l)<1.
97 \label{eq03}
98 \end{equation}
99
100 The advantage of  the multisplitting method is that  at each iteration
101 $k$ there are $L$ different linear sub-systems
102 \begin{equation}
103 v_l^k=M^{-1}_l N_l x_l^{k-1} + M^{-1}_l b,~l\in\{1,\ldots,L\},
104 \label{eq04}
105 \end{equation}
106 to be solved  independently by a direct or  an iterative method, where
107 $v_l^k$  is   the  solution  of   the  local  sub-system.   Thus,  the
108 calculations  of $v_l^k$  may be  performed in  parallel by  a  set of
109 processors.   A multisplitting  method using  an iterative  method for
110 solving the $L$ linear  sub-systems is called an inner-outer iterative
111 method or a  two-stage method.  The results $v_l^k$  obtained from the
112 different splittings~(\ref{eq04}) are combined to compute the solution
113 $x^k$ of the linear system by using the diagonal weighting matrices
114 \begin{equation}
115 x^k = \displaystyle\sum^L_{l=1} E_l v_l^k,
116 \label{eq05}
117 \end{equation}    
118 In the case where the diagonal weighting matrices $E_l$ have only zero
119 and   one   factors  (i.e.   $v_l^k$   are   disjoint  vectors),   the
120 multisplitting method is non-overlapping  and corresponds to the block
121 Jacobi method.
122 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
123 %% END
124 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
125
126 \section{Related works}
127
128
129 A general framework  for studying parallel multisplitting has  been presented in
130 \cite{o1985multi} by O'Leary and White. Convergence conditions are given for the
131 most general case.  Many authors improved multisplitting algorithms by proposing
132 for  example  an  asynchronous  version  \cite{bru1995parallel}  and  convergence
133 conditions  \cite{bai1999block,bahi2000asynchronous}   in  this  case   or  other
134 two-stage algorithms~\cite{frommer1992h,bru1995parallel}.
135
136 In  \cite{huang1993krylov},  the  authors  proposed  a  parallel  multisplitting
137 algorithm in which all the tasks except  one are devoted to solve a sub-block of
138 the splitting  and to send their  local solution to  the first task which  is in
139 charge to  combine the vectors at  each iteration.  These vectors  form a Krylov
140 basis for  which the first task minimizes  the error function over  the basis to
141 increase the convergence, then the other tasks receive the update solution until
142 convergence of the global system. 
143
144
145
146 In \cite{couturier2008gremlins}, the  authors proposed practical implementations
147 of multisplitting algorithms that take benefit from multisplitting algorithms to
148 solve large scale linear systems. Inner  solvers could be based on scalar direct
149 method with the LU method or scalar iterative one with GMRES.
150
151 In~\cite{prace-multi},  the  authors  have  proposed a  parallel  multisplitting
152 algorithm in which large block are solved using a GMRES solver. The authors have
153 performed large scale experimentations upto  32.768 cores and they conclude that
154 asynchronous  multisplitting algorithm  could more  efficient  than traditionnal
155 solvers on exascale architecture with hunders of thousands of cores.
156
157
158 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
159 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
160
161
162 \section{A two-stage method with a minimization}
163 Let $Ax=b$ be a given sparse  and large linear system of $n$ equations
164 to  solve  in  parallel   on  $L$  clusters,  physically  adjacent  or
165 geographically distant, where $A\in\mathbb{R}^{n\times n}$ is a square
166 and  nonsingular matrix, $x\in\mathbb{R}^{n}$  is the  solution vector
167 and   $b\in\mathbb{R}^{n}$  is   the  right-hand   side   vector.  The
168 multisplitting of this linear system is defined as follows:
169 \begin{equation}
170 \left\{
171 \begin{array}{lll}
172 A & = & [A_{1}, \ldots, A_{L}]\\
173 x & = & [X_{1}, \ldots, X_{L}]\\
174 b & = & [B_{1}, \ldots, B_{L}]
175 \end{array}
176 \right.
177 \label{sec03:eq01}
178 \end{equation}  
179 where for  $l\in\{1,\ldots,L\}$, $A_l$ is a rectangular  block of size
180 $n_l\times n$ and $X_l$ and  $B_l$ are sub-vectors of size $n_l$, such
181 that  $\sum_ln_l=n$.  In this  case,  we  use  a row-by-row  splitting
182 without overlapping in  such a way that successive  rows of the sparse
183 matrix $A$ and  both vectors $x$ and $b$ are  assigned to one cluster.
184 So,  the multisplitting  format of  the  linear system  is defined  as
185 follows:
186 \begin{equation}
187 \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, 
188 \label{sec03:eq02}
189 \end{equation} 
190 where $A_{li}$ is  a block of size $n_l\times  n_i$ of the rectangular
191 matrix  $A_l$, $X_i\neq  X_l$ is  a sub-vector  of size  $n_i$  of the
192 solution vector  $x$ and $\sum_{i<l}n_i+\sum_{i>l}n_i+n_l=n$,  for all
193 $i\in\{1,\ldots,l-1,l+1,\ldots,L\}$.
194
195 The multisplitting method proceeds by iteration for solving the linear
196 system in such a way each sub-system
197 \begin{equation}
198 \left\{
199 \begin{array}{l}
200 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
201 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{i=1,i\neq l}^{L}A_{li}X_i,
202 \end{array}
203 \right.
204 \label{sec03:eq03}
205 \end{equation}
206 is solved  independently by a cluster of  processors and communication
207 are required  to update the  right-hand side vectors $Y_l$,  such that
208 the  vectors  $X_i$  represent   the  data  dependencies  between  the
209 clusters. In this work,  we use the parallel GMRES method~\cite{ref34}
210 as     an     inner      iteration     method     to     solve     the
211 sub-systems~(\ref{sec03:eq03}).  It  is a well-known  iterative method
212 which  gives good performances  to solve  sparse linear  systems in
213 parallel on a cluster of processors.
214
215 It should be noted that  the convergence of the inner iterative solver
216 for  the  different  linear  sub-systems~(\ref{sec03:eq03})  does  not
217 necessarily involve  the convergence of the  multisplitting method. It
218 strongly depends on  the properties of the sparse  linear system to be
219 solved                 and                the                computing
220 environment~\cite{o1985multi,ref18}.  Furthermore,  the multisplitting
221 of the  linear system among  several clusters of  processors increases
222 the  spectral radius  of  the iteration  matrix,  thereby slowing  the
223 convergence.  In   this  paper,  we   based  on  the   work  presented
224 in~\cite{huang1993krylov} to increase  the convergence and improve the
225 scalability of the multisplitting methods.
226
227 In  order  to  accelerate  the  convergence, we  implement  the  outer
228 iteration  of the multisplitting  solver as  a Krylov  subspace method
229 which minimizes some error function over a Krylov subspace~\cite{S96}.
230 The Krylov  space of  the method that  we used  is spanned by  a basis
231 composed  of   successive  solutions  issued  from   solving  the  $L$
232 splittings~(\ref{sec03:eq03})
233 \begin{equation}
234 S=\{x^1,x^2,\ldots,x^s\},~s\leq n,
235 \label{sec03:eq04}
236 \end{equation}
237 where   for  $j\in\{1,\ldots,s\}$,  $x^j=[X_1^j,\ldots,X_L^j]$   is  a
238 solution of the  global linear system. The advantage  of such a Krylov
239 subspace   is  that   we  need   neither  an   orthogonal   basis  nor
240 synchronizations  between  the  different  clusters to  generate  this
241 basis.
242
243 The  multisplitting   method  is  periodically   restarted  every  $s$
244 iterations  with   a  new  initial   guess  $\tilde{x}=S\alpha$  which
245 minimizes  the error  function $\|b-Ax\|_2$  over the  Krylov subspace
246 spanned  by  the vectors  of  $S$.  So,  $\alpha$  is  defined as  the
247 solution of the large overdetermined linear system
248 \begin{equation}
249 R\alpha=b,
250 \label{sec03:eq05}
251 \end{equation}
252 where $R=AS$  is a  dense rectangular matrix  of size $n\times  s$ and
253 $s\ll n$. This leads us to solve the system of normal equations
254 \begin{equation}
255 R^TR\alpha=R^Tb,
256 \label{sec03:eq06}
257 \end{equation}
258 which is associated with the least squares problem
259 \begin{equation}
260 \text{minimize}~\|b-R\alpha\|_2,
261 \label{sec03:eq07}
262 \end{equation}  
263 where $R^T$ denotes the transpose  of the matrix $R$.  Since $R$ (i.e.
264 $AS$) and  $b$ are  split among $L$  clusters, the  symmetric positive
265 definite  system~(\ref{sec03:eq06}) is  solved in  parallel.  Thus, an
266 iterative method would be more  appropriate than a direct one to solve
267 this system.  We use  the parallel conjugate  gradient method  for the
268 normal equations CGNR~\cite{S96,refCGNR}.
269
270 \begin{algorithm}[!t]
271 \caption{A two-stage linear solver with inner iteration GMRES method}
272 \begin{algorithmic}[1]
273 \Input $A_l$ (local sparse matrix), $B_l$ (local right-hand side), $x^0$ (initial guess)
274 \Output $X_l$ (local solution vector)\vspace{0.2cm}
275 \State Load $A_l$, $B_l$, $x^0$
276 \State Initialize the minimizer $\tilde{x}^0=x^0$
277 \For {$k=1,2,3,\ldots$ until the global convergence}
278 \State Restart with $x^0=\tilde{x}^{k-1}$: \textbf{for} $j=1,2,\ldots,s$ \textbf{do}
279 \State\hspace{0.5cm} Inner iteration solver: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $j$}
280 \State\hspace{0.5cm} Construct the basis $S$: add the column vector $X_l^j$ to the matrix $S_l^k$
281 \State\hspace{0.5cm} Exchange the local solution vector $X_l^j$ with the neighboring clusters
282 \State\hspace{0.5cm} Compute the dense matrix $R$: $R_l^{k,j}=\sum^L_{i=1}A_{li}X_i^j$ 
283 \State\textbf{end for} 
284 \State Minimization $\|b-R\alpha\|_2$: \Call{UpdateMinimizer}{$S_l$, $R$, $b$, $k$}
285 \State Local solution of the linear system $Ax=b$: $X_l^k=\tilde{X}_l^k$
286 \State Exchange the local minimizer $\tilde{X}_l^k$ with the neighboring clusters
287 \EndFor
288
289 \Statex
290
291 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $j$}
292 \State Compute the local right-hand side: $Y_l = B_l - \sum^L_{i=1,i\neq l}A_{li}X_i^0$
293 \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
294 \State \Return $X_l^j$
295 \EndFunction
296
297 \Statex
298
299 \Function {UpdateMinimizer}{$S_l$, $R$, $b$, $k$}
300 \State Solving the normal equations $(R^k)^TR^k\alpha^k=(R^k)^Tb$ in parallel by $L$ clusters using the parallel CGNR method
301 \State Compute the local minimizer: $\tilde{X}_l^k=S_l^k\alpha^k$
302 \State \Return $\tilde{X}_l^k$
303 \EndFunction
304 \end{algorithmic}
305 \label{algo:01}
306 \end{algorithm}
307
308 The  main key points  of the  multisplitting method  to solve  a large
309 sparse  linear  system  are  given in  Algorithm~\ref{algo:01}.   This
310 algorithm is based on a two-stage method with a minimization using the
311 GMRES iterative method as an  inner solver. It is executed in parallel
312 by  each cluster  of processors.   The matrices  and vectors  with the
313 subscript  $l$ represent  the local  data for  the cluster  $l$, where
314 $l\in\{1,\ldots,L\}$. The two-stage solver uses two different parallel
315 iterative algorithms:  the GMRES method  to solve each splitting  on a
316 cluster of processors, and the CGNR method executed in parallel by all
317 clusters  to minimize  the  function error  over  the Krylov  subspace
318 spanned by  $S$.  The  algorithm requires two  global synchronizations
319 between the $L$  clusters. The first one is  performed at line~$12$ in
320 Algorithm~\ref{algo:01}  to exchange  the local  values of  the vector
321 solution $x$ (i.e. the  minimizer $\tilde{x}$) required to restart the
322 multisplitting  solver. The  second  one is  needed  to construct  the
323 matrix $R$ of  the Krylov subspace.  We choose  to perform this latter
324 synchronization $s$  times in every  outer iteration $k$  (line~$7$ in
325 Algorithm~\ref{algo:01}). This is a straightforward way to compute the
326 matrix-matrix    multiplication     $R=AS$.     We    implement    all
327 synchronizations   by   using   the   MPI   collective   communication
328 subroutines.
329
330
331 \section{Experiments}
332
333 In order  to illustrate  the interest  of our algorithm.   We have  compared our
334 algorithm  with  the  GMRES  method  which  a very  well  used  method  in  many
335 situations.  We have chosen to focus on only one problem which is very simple to
336 implement: a 3 dimension Poisson problem.
337
338 \begin{equation}
339 \left\{
340                 \begin{array}{ll}
341                   \nabla u&=f \mbox{~in~} \omega\\
342                   u &=0 \mbox{~on~}  \Gamma=\partial \omega
343                 \end{array}
344               \right.
345 \end{equation}
346
347 After discretization, with a finite  difference scheme, a seven point stencil is
348 used. It  is well-known that the  spectral radius of  matrices representing such
349 problems are very close to 1.  Moreover, the larger the number of discretization
350 points is,  the closer to 1  the spectral radius  is.  Hence, to solve  a matrix
351 obtained for  a 3D Poisson  problem, the number  of iterations is high.  Using a
352 preconditioner  it  is   possible  to  reduce  the  number   of  iterations  but
353 preconditioners are not scalable when using many cores.
354
355 \section{Conclusion and perspectives}
356
357 Other applications (=> other matrices)\\
358 Larger experiments\\
359 Async\\
360 Overlapping
361
362
363 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
364 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
365
366 \bibliographystyle{plain}
367 \bibliography{biblio}
368
369 \end{document}