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13-01-2014 V1
[Krylov_multi.git] / krylov_multi.tex
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]}
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15
16 \title{A scalable multisplitting algorithm for solving large sparse linear systems} 
17
18
19
20 \begin{document}
21 \author{Raphaël Couturier \and Lilia Ziane Khodja}
22
23 \maketitle
24
25
26 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
27 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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30 \begin{abstract}
31 In  this  paper we  revist  the  krylov  multisplitting algorithm  presented  in
32 \cite{huang1993krylov}  which  uses  a  scalar  method to  minimize  the  krylov
33 iterations computed by a multisplitting algorithm. Our new algorithm is based on
34 a  parallel multisplitting  algorithm  with few  blocks  of large  size using  a
35 parallel GMRES method inside each block and on a parallel krylov minimization in
36 order to improve the convergence. Some large scale experiments with a 3D Poisson
37 problem  are presented.   They  show  the obtained  improvements  compared to  a
38 classical GMRES both in terms of number of iterations and execution times.
39 \end{abstract}
40
41
42 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
43 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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46 \section{Introduction}
47
48 Iterative methods are used to solve  large sparse linear systems of equations of
49 the form  $Ax=b$ because they are  easier to parallelize than  direct ones. Many
50 iterative  methods have  been proposed  and  adapted by  many researchers.   For
51 example, the GMRES method and the  Conjugate Gradient method are very well known
52 and  used by  many researchers  ~\cite{S96}. Both  the method  are based  on the
53 Krylov subspace which consists in forming  a basis of the sequence of successive
54 matrix powers times the initial residual.
55
56 When  solving large  linear systems  with  many cores,  iterative methods  often
57 suffer  from scalability problems.   This is  due to  their need  for collective
58 communications  to  perform  matrix-vector  products and  reduction  operations.
59 Preconditionners can be  used in order to increase  the convergence of iterative
60 solvers.   However, most  of the  good preconditionners  are not  sclalable when
61 thousands of cores are used.
62
63
64 A completer...
65 On ne peut pas parler de tout...\\
66
67
68
69
70 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
71 %% BEGIN
72 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
73 The key idea  of the multisplitting method for  solving a large system
74 of linear equations $Ax=b$ consists  in partitioning the matrix $A$ in
75 $L$ several ways
76 \begin{equation}
77 A = M_l - N_l,~l\in\{1,\ldots,L\},
78 \label{eq01}
79 \end{equation}
80 where $M_l$ are nonsingular matrices. Then the linear system is solved
81 by iteration based on the multisplittings as follows
82 \begin{equation}
83 x^{k+1}=\displaystyle\sum^L_{l=1} E_l M^{-1}_l (N_l x^k + b),~k=1,2,3,\ldots
84 \label{eq02}
85 \end{equation}
86 where $E_l$ are non-negative and diagonal weighting matrices such that
87 $\sum^L_{l=1}E_l=I$ ($I$ is an identity matrix).  Thus the convergence
88 of such a method is dependent on the condition
89 \begin{equation}
90 \rho(\displaystyle\sum^L_{l=1}E_l M^{-1}_l N_l)<1.
91 \label{eq03}
92 \end{equation}
93
94 The advantage of  the multisplitting method is that  at each iteration
95 $k$ there are $L$ different linear sub-systems
96 \begin{equation}
97 v_l^k=M^{-1}_l N_l x_l^{k-1} + M^{-1}_l b,~l\in\{1,\ldots,L\},
98 \label{eq04}
99 \end{equation}
100 to be solved  independently by a direct or  an iterative method, where
101 $v_l^k$  is   the  solution  of   the  local  sub-system.   Thus,  the
102 calculations  of $v_l^k$  may be  performed in  parallel by  a  set of
103 processors.   A multisplitting  method using  an iterative  method for
104 solving the $L$ linear  sub-systems is called an inner-outer iterative
105 method or a  two-stage method.  The results $v_l^k$  obtained from the
106 different splittings~(\ref{eq04}) are combined to compute the solution
107 $x^k$ of the linear system by using the diagonal weighting matrices
108 \begin{equation}
109 x^k = \displaystyle\sum^L_{l=1} E_l v_l^k,
110 \label{eq05}
111 \end{equation}    
112 In the case where the diagonal weighting matrices $E_l$ have only zero
113 and   one   factors  (i.e.   $v_l^k$   are   disjoint  vectors),   the
114 multisplitting method is non-overlapping  and corresponds to the block
115 Jacobi method.
116 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
117 %% END
118 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
119
120 \section{Related works}
121
122
123 A general framework  for studying parallel multisplitting has  been presented in
124 \cite{o1985multi} by O'Leary and White. Convergence conditions are given for the
125 most general case.  Many authors improved multisplitting algorithms by proposing
126 for  example  an  asynchronous  version  \cite{bru1995parallel}  and  convergence
127 conditions  \cite{bai1999block,bahi2000asynchronous}   in  this  case   or  other
128 two-stage algorithms~\cite{frommer1992h,bru1995parallel}.
129
130 In  \cite{huang1993krylov},  the  authors  proposed  a  parallel  multisplitting
131 algorithm in which all the tasks except  one are devoted to solve a sub-block of
132 the splitting  and to send their  local solution to  the first task which  is in
133 charge to  combine the vectors at  each iteration.  These vectors  form a Krylov
134 basis for  which the first task minimizes  the error function over  the basis to
135 increase the convergence, then the other tasks receive the update solution until
136 convergence of the global system. 
137
138
139
140 In \cite{couturier2008gremlins}, the  authors proposed practical implementations
141 of multisplitting algorithms that take benefit from multisplitting algorithms to
142 solve large scale linear systems. Inner  solvers could be based on scalar direct
143 method with the LU method or scalar iterative one with GMRES.
144
145 In~\cite{prace-multi},  the  authors  have  proposed a  parallel  multisplitting
146 algorithm in which large block are solved using a GMRES solver. The authors have
147 performed large scale experimentations upto  32.768 cores and they conclude that
148 asynchronous  multisplitting algorithm  could more  efficient  than traditionnal
149 solvers on exascale architecture with hunders of thousands of cores.
150
151
152 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
153 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
154
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156 \section{A two-stage method with a minimization}
157 Let $Ax=b$ be a given sparse  and large linear system of $n$ equations
158 to  solve  in  parallel   on  $L$  clusters,  physically  adjacent  or
159 geographically distant, where $A\in\mathbb{R}^{n\times n}$ is a square
160 and  nonsingular matrix, $x\in\mathbb{R}^{n}$  is the  solution vector
161 and   $b\in\mathbb{R}^{n}$  is   the  right-hand   side   vector.  The
162 multisplitting of this linear system is defined as follows:
163 \begin{equation}
164 \left\{
165 \begin{array}{lll}
166 A & = & [A_{1}, \ldots, A_{L}]\\
167 x & = & [X_{1}, \ldots, X_{L}]\\
168 b & = & [B_{1}, \ldots, B_{L}]
169 \end{array}
170 \right.
171 \label{sec03:eq01}
172 \end{equation}  
173 where for  $l\in\{1,\ldots,L\}$, $A_l$ is a rectangular  block of size
174 $n_l\times n$ and $X_l$ and  $B_l$ are sub-vectors of size $n_l$, such
175 that  $\sum_ln_l=n$.  In this  case,  we  use  a row-by-row  splitting
176 without overlapping in  such a way that successive  rows of the sparse
177 matrix $A$ and  both vectors $x$ and $b$ are  assigned to one cluster.
178 So,  the multisplitting  format of  the  linear system  is defined  as
179 follows:
180 \begin{equation}
181 \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, 
182 \label{sec03:eq02}
183 \end{equation} 
184 where $A_{li}$ is  a block of size $n_l\times  n_i$ of the rectangular
185 matrix  $A_l$, $X_i\neq  X_l$ is  a sub-vector  of size  $n_i$  of the
186 solution vector  $x$ and $\sum_{i<l}n_i+\sum_{i>l}n_i+n_l=n$,  for all
187 $i\in\{1,\ldots,l-1,l+1,\ldots,L\}$.
188
189 The multisplitting method proceeds by iteration for solving the linear
190 system in such a way each sub-system
191 \begin{equation}
192 \left\{
193 \begin{array}{l}
194 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
195 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{i=1,i\neq l}^{L}A_{li}X_i,
196 \end{array}
197 \right.
198 \label{sec03:eq03}
199 \end{equation}
200 is solved  independently by a cluster of  processors and communication
201 are required  to update the  right-hand side vectors $Y_l$,  such that
202 the  vectors  $X_i$  represent   the  data  dependencies  between  the
203 clusters. In this work,  we use the parallel GMRES method~\cite{ref34}
204 as     an     inner    iteration     method     for    solving     the
205 sub-systems~(\ref{sec03:eq03}).  It  is a well-known  iterative method
206 which  gives good performances  for solving  sparse linear  systems in
207 parallel on a cluster of processors.
208
209 It should be noted that  the convergence of the inner iterative solver
210 for  the  different  linear  sub-systems~(\ref{sec03:eq03})  does  not
211 necessarily involve  the convergence of the  multisplitting method. It
212 strongly depends on  the properties of the sparse  linear system to be
213 solved                 and                the                computing
214 environment~\cite{o1985multi,ref18}.  Furthermore,  the multisplitting
215 of the  linear system among  several clusters of  processors increases
216 the  spectral radius  of  the iteration  matrix,  thereby slowing  the
217 convergence.  In   this  paper,  we   based  on  the   work  presented
218 in~\cite{huang1993krylov} to increase  the convergence and improve the
219 scalability of the multisplitting methods.
220
221 In  order  to  accelerate  the  convergence, we  implement  the  outer
222 iteration  of the multisplitting  solver as  a Krylov  subspace method
223 which minimizes some error function over a Krylov subspace~\cite{S96}.
224 The Krylov  space of  the method that  we used  is spanned by  a basis
225 composed  of   successive  solutions  issued  from   solving  the  $L$
226 splittings~(\ref{sec03:eq03})
227 \begin{equation}
228 S=\{x^1,x^2,\ldots,x^s\},~s\leq n,
229 \label{sec03:eq04}
230 \end{equation}
231 where   for  $j\in\{1,\ldots,s\}$,  $x^j=[X_1^j,\ldots,X_L^j]$   is  a
232 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.
233
234 The  multisplitting   method  is  periodically   restarted  every  $s$
235 iterations  with   a  new  initial   guess  $\tilde{x}=S\alpha$  which
236 minimizes  the error  function $\|b-Ax\|_2$  over the  Krylov subspace
237 spanned  by  the vectors  of  $S$.  So,  $\alpha$  is  defined as  the
238 solution of the large overdetermined linear system
239 \begin{equation}
240 R\alpha=b,
241 \label{sec03:eq05}
242 \end{equation}
243 where $R=AS$  is a  dense rectangular matrix  of size $n\times  s$ and
244 $s\ll n$. This leads us to solve the system of normal equations
245 \begin{equation}
246 R^TR\alpha=R^Tb,
247 \label{sec03:eq06}
248 \end{equation}
249 which is associated with the least squares problem
250 \begin{equation}
251 \text{minimize}~\|b-R\alpha\|_2,
252 \label{sec03:eq07}
253 \end{equation}  
254 where  $R^T$  denotes the  transpose  of  the  matrix $R$.  Since  $R$
255 (i.e.  $AS$) and  $b$  are  split among  $L$  clusters, the  symmetric
256 positive    definite    system~(\ref{sec03:eq06})    is   solved    in
257 parallel. Thus, an  iterative method would be more  appropriate than a
258 direct  one for  solving this  system. We  use the  parallel conjugate
259 gradient method for the normal equations CGNR~\cite{S96,refCGNR}.
260
261 \begin{algorithm}[!t]
262 \caption{A two-stage linear solver with inner iteration GMRES method}
263 \begin{algorithmic}[1]
264 \Input $A_l$ (local sparse matrix), $B_l$ (local right-hand side), $x^0$ (initial guess)
265 \Output $X_l$ (local solution vector)\vspace{0.2cm}
266 \State Load $A_l$, $B_l$, $x^0$
267 \State Initialize the minimizer $\tilde{x}^0=x^0$
268 \For {$k=1,2,3,\ldots$ until the global convergence}
269 \State Restart with $x^0=\tilde{x}^{k-1}$: \textbf{for} $j=1,2,\ldots,s$ \textbf{do}
270 \State\hspace{0.5cm} Inner iteration solver: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $j$}
271 \State\hspace{0.5cm} Construct the basis $S$: add the column vector $X_l^j$ to the matrix $S_l^k$
272 \State\hspace{0.5cm} Exchange the local solution vector $X_l^j$ with the neighboring clusters
273 \State\hspace{0.5cm} Compute the dense matrix $R$: $R_l^{k,j}=\sum^L_{i=1}A_{li}X_i^j$ 
274 \State\textbf{end for} 
275 \State Minimization $\|b-R\alpha\|_2$: \Call{UpdateMinimizer}{$S_l$, $R$, $b$, $k$}
276 \State Local solution of the linear system $Ax=b$: $X_l^k=\tilde{X}_l^k$
277 \State Exchange the local minimizer $\tilde{X}_l^k$ with the neighboring clusters
278 \EndFor
279
280 \Statex
281
282 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $j$}
283 \State Compute the local right-hand side: $Y_l = B_l - \sum^L_{i=1,i\neq l}A_{li}X_i^0$
284 \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
285 \State \Return $X_l^j$
286 \EndFunction
287
288 \Statex
289
290 \Function {UpdateMinimizer}{$S_l$, $R$, $b$, $k$}
291 \State Solving the normal equations $(R^k)^TR^k\alpha^k=(R^k)^Tb$ in parallel by $L$ clusters using the parallel CGNR method
292 \State Compute the local minimizer: $\tilde{X}_l^k=S_l^k\alpha^k$
293 \State \Return $\tilde{X}_l^k$
294 \EndFunction
295 \end{algorithmic}
296 \label{algo:01}
297 \end{algorithm}
298
299 The main  key points  of the multisplitting  method for  solving large
300 sparse  linear  systems are  given  in Algorithm~\ref{algo:01}.   This
301 algorithm is based on a two-stage method with a minimization using the
302 GMRES iterative method as an  inner solver. It is executed in parallel
303 by  each cluster  of processors.   The matrices  and vectors  with the
304 subscript  $l$ represent  the local  data for  the cluster  $l$, where
305 $l\in\{1,\ldots,L\}$. The two-stage solver uses two different parallel
306 iterative algorithms: the GMRES method for solving each splitting on a
307 cluster of processors, and the CGNR method executed in parallel by all
308 clusters for  minimizing the function  error over the  Krylov subspace
309 spanned by  $S$.  The  algorithm requires two  global synchronizations
310 between the $L$  clusters. The first one is  performed at line~$12$ in
311 Algorithm~\ref{algo:01}  to exchange  the local  values of  the vector
312 solution $x$ (i.e. the  minimizer $\tilde{x}$) required to restart the
313 multisplitting  solver. The  second  one is  needed  to construct  the
314 matrix $R$ of  the Krylov subspace.  We choose  to perform this latter
315 synchronization $s$  times in every  outer iteration $k$  (line~$7$ in
316 Algorithm~\ref{algo:01}). This is a straightforward way to compute the
317 matrix-matrix    multiplication     $R=AS$.     We    implement    all
318 synchronizations   by   using   the   MPI   collective   communication
319 subroutines.
320
321
322
323
324 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
325 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
326
327 \bibliographystyle{plain}
328 \bibliography{biblio}
329
330 \end{document}