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07-12-2014 v00
[Krylov_multi.git] / krylov_multi_reviewed.tex
1 \documentclass{article}
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10
11 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
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13
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16
17 \newcommand{\Time}[1]{\mathit{Time}_\mathit{#1}}
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19 \newcommand{\Ratio}{\mathit{Ratio}}
20
21 \def\changemargin#1#2{\list{}{\rightmargin#2\leftmargin#1}\item[]}
22 \let\endchangemargin=\endlist
23
24 \title{A scalable multisplitting algorithm to solve large sparse linear systems} 
25 \date{}
26
27 \author[1]{Raphaël Couturier}
28 \author[2]{ Lilia Ziane Khodja}
29 \affil[1]{ Femto-ST Institute\\
30     University of Franche Comte\\
31     France\\
32     email: raphael.couturier@univ-fcomte.fr}
33 \affil[2]{Inria Bordeaux Sud-Ouest\\
34     France\\
35     email: lilia.ziane@inria.fr}
36 \begin{document}
37
38
39 \maketitle
40
41
42 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
43 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
44
45 \begin{abstract}
46 In  this paper  we  revisit  the Krylov  multisplitting  algorithm presented  in
47 \cite{huang1993krylov}  which  uses  a  sequential  method to  minimize  the  Krylov
48 iterations computed by a multisplitting algorithm. Our new algorithm is based on
49 a  parallel multisplitting  algorithm  with few  blocks  of large  size using  a
50 parallel GMRES method inside each block and on a parallel Krylov minimization in
51 order to improve the convergence. Some large scale experiments with a 3D Poisson
52 problem  are  presented  with  up   to  8,192  cores.   They  show  the  obtained
53 improvements compared to a classical GMRES both in terms of number of iterations
54 and in terms of execution times.
55 \end{abstract}
56
57 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
58 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
59
60 \section{Introduction}
61 Iterative methods are used to solve  large sparse linear systems of equations of
62 the form  $Ax=b$ because they are  easier to parallelize than  direct ones. Many
63 iterative  methods have  been proposed  and  adapted by  different researchers.   For
64 example, the GMRES method and the  Conjugate Gradient method are very well known
65 and  used~\cite{S96}. Both methods  are based  on the
66 Krylov subspace which consists in forming  a basis of a sequence of successive
67 matrix powers times the initial residual.
68
69 When  solving large  linear systems  with  many cores,  iterative methods  often
70 suffer  from scalability problems.   This is  due to  their need  for collective
71 communications  to  perform  matrix-vector  products and  reduction  operations.
72 Preconditioners can be  used in order to increase  the convergence of iterative
73 solvers.   However, most  of the  good preconditioners  are not  scalable when
74 thousands of cores are used.
75
76 %Traditional iterative  solvers have  global synchronizations that  penalize the
77 %scalability.   Two  possible solutions  consists  either  in using  asynchronous
78 %iterative  methods~\cite{ref18} or  to  use multisplitting  algorithms. In  this
79 %paper, we will  reconsider the use of a multisplitting  method. In opposition to
80 %traditional  multisplitting  method  that  suffer  from  slow  convergence,  as
81 %proposed  in~\cite{huang1993krylov},  the  use  of a  minimization  process  can
82 %drastically improve the convergence.
83
84 Traditional parallel iterative solvers are based on fine-grain computations that
85 frequently  require  data exchanges  between  computing  nodes  and have  global
86 synchronizations  that penalize  the  scalability. Particularly,  they are  more
87 penalized on large  scale architectures or on distributed  platforms composed of
88 distant  clusters interconnected  by  a high-latency  network.  It is  therefore
89 imperative to develop coarse-grain based algorithms to reduce the communications
90 in the  parallel iterative  solvers. Two possible  solutions consists  either in
91 using  asynchronous  iterative  methods~\cite{ref18}  or in  using  multisplitting
92 algorithmss.  In this  paper,  we will  reconsider  the use  of a  multisplitting
93 method. In opposition to traditional multisplitting method that suffer from slow
94 convergence, as  proposed in~\cite{huang1993krylov},  the use of  a minimization
95 process can drastically improve the convergence.
96
97 In this work we develop a new parallel two-stage algorithm for large-scale clusters. Our objective is to mix between Krylov based iterative methods and the multisplitting method to improve the scalability. In fact Krylov subspace methods are well-known for their good convergence compared to others iterative methods. So our main contribution is to use the multisplitting method which splits the problem to solve into different blocks in order to reduce the large amount of communications and, to implement both inner and outer iterations as Krylov subspace iterations improving the convergence of the multisplitting algorithm.
98
99 The present paper is  organized as follows. First, Section~\ref{sec:02} presents
100 some  related  works and  the  principle  of  multisplitting methods.  Then,  in
101 Section~\ref{sec:03}  the algorithm  of our  Krylov multisplitting
102 method, based  on inner-outer  iterations, is presented. Finally, in  Section~\ref{sec:04}, the
103 parallel experiments on Hector architecture  show the performances of the Krylov
104 multisplitting algorithm compared to the classical GMRES algorithm to solve a 3D
105 Poisson problem.
106
107
108 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
109 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
110
111 \section{Related works and presentation of the multisplitting method}
112 \label{sec:02}
113 A general framework  to study parallel multisplitting methods has  been presented in~\cite{o1985multi}
114 by O'Leary and White. Convergence conditions are given for the
115 most general cases.  Many authors have improved multisplitting algorithms by proposing,
116 for  example,  an  asynchronous  version~\cite{bru1995parallel} or  convergence
117 conditions~\cite{bai1999block,bahi2000asynchronous}     or  other
118 two-stage algorithms~\cite{frommer1992h,bru1995parallel}.
119
120 In~\cite{huang1993krylov},  the  authors  have proposed  a  parallel  multisplitting
121 algorithm in which all the tasks except  one are devoted to solve a sub-block of
122 the splitting  and to send their  local solutions to  the first task which  is in
123 charge of  combining the vectors at  each iteration.  These vectors  form a Krylov
124 basis for  which the first task minimizes  the error function over  the basis to
125 increase the convergence, then the other tasks receive the updated solution until the
126 convergence of the global system. 
127
128 In~\cite{couturier2008gremlins}, the  authors have developed practical implementations
129 of multisplitting algorithms to solve  large scale linear systems. Inner solvers
130 could be  based on sequential direct method  with the LU method  or sequential iterative
131 one with GMRES.
132
133 In~\cite{prace-multi},  the  authors have  designed a  parallel  multisplitting
134 algorithm in which large blocks are solved using a GMRES solver. The authors have
135 performed large scale experiments up-to  32,768 cores and they conclude that
136 an asynchronous  multisplitting algorithm  could be more  efficient  than traditional
137 solvers on an exascale architecture with hundreds of thousands of cores.
138
139 So, compared to these works, we propose in this paper a practical multisplitting method based on parallel iterative blocks which gives better results than classical GMRES method for the 3D Poisson problem we considered.
140 \\
141
142 The key idea of a multisplitting method to solve a large system of linear equations $Ax=b$ is defined as follows. The first step consists in partitioning the matrix $A$ in $L$ several ways 
143 \begin{equation}
144 A = M_\ell - N_\ell,
145 \label{eq01}
146 \end{equation}
147 where for all $\ell\in\{1,\ldots,L\}$ $M_\ell$ are non-singular matrices. Then the linear system is solved by an iteration based on the obtained splittings as follows
148 \begin{equation}
149 x^{k+1}=\displaystyle\sum^L_{\ell=1} E_\ell M^{-1}_\ell (N_\ell x^k + b),~k=1,2,3,\ldots
150 \label{eq02}
151 \end{equation}
152 where $E_\ell$ are non-negative and diagonal weighting matrices and their sum is an identity matrix $I$. The convergence of such a method is dependent on the condition
153 \begin{equation}
154 \rho(\displaystyle\sum^L_{\ell=1}E_\ell M^{-1}_\ell N_\ell)<1.
155 \label{eq03}
156 \end{equation}
157 where $\rho$ is the spectral radius of the square matrix.
158
159 The advantage of the multisplitting method is that at each iteration $k$ there are $L$ different linear sub-systems
160 \begin{equation}
161 v_\ell^k=M^{-1}_\ell N_\ell x_\ell^{k-1} + M^{-1}_\ell b,~\ell\in\{1,\ldots,L\},
162 \label{eq04}
163 \end{equation}
164 to be solved independently by a direct or an iterative method, where $v_\ell$ is the solution of the local sub-system. Thus the computations of $\{v_\ell\}_{1\leq \ell\leq L}$ may be performed in parallel by a set of processors. A multisplitting method using an iterative method as an inner solver is called an inner-outer iterative method or a two-stage method. The results $v_\ell$ obtained from the different splittings~(\ref{eq04}) are combined to compute solution $x$ of the linear system by using the diagonal weighting matrices
165 \begin{equation}
166 x^k = \displaystyle\sum^L_{\ell=1} E_\ell v_\ell^k,
167 \label{eq05}
168 \end{equation}    
169 In the case where the diagonal weighting matrices $E_\ell$ have only zero and one factors (i.e. $v_\ell$ are disjoint vectors), the multisplitting method is non-overlapping and corresponds to the block Jacobi method.
170
171 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
172 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
173
174 \section{A two-stage method with a minimization}
175 \label{sec:03}
176 Let $Ax=b$ be a given large and sparse linear system of $n$ equations where $A\in\mathbb{R}^{n\times n}$ is a sparse square and non-singular matrix, $x\in\mathbb{R}^{n}$ is the solution vector and $b\in\mathbb{R}^{n}$ is the right-hand side vector. We use a multisplittig method to solve the linear system on a large computing platform in order to reduce the communications. Let the computing platform be composed of $L$ clusters of processors physically adjacent or geographically distant. In this work we apply the block Jacobi multisplitting to the linear system as follows
177 \begin{equation}
178 \left\{
179 \begin{array}{lll}
180 A & = & [A_{1}, \ldots, A_{L}]\\
181 x & = & [X_{1}, \ldots, X_{L}]\\
182 b & = & [B_{1}, \ldots, B_{L}]
183 \end{array}
184 \right.
185 \label{sec03:eq01}
186 \end{equation}  
187 where for $\ell\in\{1,\ldots,L\}$, $A_\ell$ is a rectangular block of size $n_\ell\times n$ and $X_\ell$ and $B_\ell$ are sub-vectors of size $n_\ell$ each, such that $\sum_\ell n_\ell=n$. The splitting is performed row-by-row without overlapping in such a way that successive rows of sparse matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$ are assigned to one cluster. So, the multisplitting format of the linear system is defined as follows
188 \begin{equation}
189 \forall \ell\in\{1,\ldots,L\} \mbox{,~} A_{\ell \ell}X_\ell + \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\m\neq\ell}}^L A_{\ell m}X_m = B_\ell, 
190 \label{sec03:eq02}
191 \end{equation} 
192 where $A_{\ell m}$ is a sub-block of size $n_\ell\times  n_m$ of the rectangular matrix $A_\ell$, $X_m\neq  X_\ell$ is a sub-vector of size $n_m$ of the solution vector $x$ and $\sum_{m\neq \ell}n_m+n_\ell=n$, for all $m\in\{1,\ldots,L\}$.
193
194 Our multisplitting method proceeds by iteration to solve the linear system in such a way that each sub-system
195 \begin{equation}
196 \left\{
197 \begin{array}{l}
198 A_{\ell \ell}X_\ell = Y_\ell \mbox{,~such that}\\
199 Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m,
200 \end{array}
201 \right.
202 \label{sec03:eq03}
203 \end{equation}
204 is solved independently by a {\it cluster of processors} and communications are required to update the right-hand side vectors $Y_\ell$, such that the vectors $X_m$ represent the data dependencies between the clusters. In this work, we use the parallel restarted GMRES method~\cite{ref34} as an inner iteration method to solve sub-systems~(\ref{sec03:eq03}). GMRES is one of the most used Krylov iterative methods to solve sparse linear systems by minimizing the residuals over an orthonormal basis of a Krylov subspace. %In practice, GMRES is used with a preconditioner to improve its convergence. In this work, we used a preconditioning matrix equivalent to the main diagonal of sparse sub-matrix $A_{ll}$. This preconditioner is straightforward to implement in parallel and gives good performances in many situations.  
205
206 It should  be noted that the convergence  of the inner iterative  solver for the
207 different  sub-systems~(\ref{sec03:eq03})  does   not  necessarily  involve  the
208 convergence of the multisplitting algorithm.  It strongly depends on the properties
209 of       the       global      sparse       linear       system      to       be
210 solved~\cite{o1985multi,ref18}. Furthermore, the  splitting of the linear system
211 among  several clusters  of  processors  increases the  spectral  radius of  the
212 iteration  matrix, thereby  slowing the  convergence.  In  fact, the  larger the
213 number of  splitting is, the larger the  spectral radius is.  In  this paper, our
214 work is based  on   the  work   presented  in~\cite{huang1993krylov}  to   increase  the
215 convergence and improve the scalability of the multisplitting methods.
216
217 Krylov subspace methods are well-known for their good convergence compared to other iterative methods. In order to accelerate the convergence, we implemented the outer iteration of our multisplitting solver as a Krylov iterative method which minimizes some error function over a Krylov subspace~\cite{S96}. The Krylov subspace that we used is spanned by a basis composed of successive solutions issued from solving the $L$ splittings~(\ref{sec03:eq03})
218 \begin{equation}
219 S=\{x^1,x^2,\ldots,x^s\},~s\leq n,
220 \label{sec03:eq04}
221 \end{equation}
222 where for $j\in\{1,\ldots,s\}$, $x^j=[X_1^j,\ldots,X_L^j]$ is a solution of the global linear system. The advantage of such a Krylov subspace is that we neither need an orthonormal basis nor any synchronization between clusters is necessary to orthogonalize the generated basis. This avoids to perform other synchronizations between the blocks of processors.
223
224 The multisplitting method is periodically restarted every $s$ iterations with a new initial guess $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the error function $\|b-Ax\|_2$ over the Krylov subspace spanned by vectors of $S$. So $\alpha$ is defined as the solution of the large overdetermined linear system
225 \begin{equation}
226 R\alpha=b,
227 \label{sec03:eq05}
228 \end{equation}
229 where $R=AS$ is a dense rectangular matrix of size $n\times s$ and $s\ll n$. This leads us to solve a system of normal equations
230 \begin{equation}
231 R^TR\alpha=R^Tb,
232 \label{sec03:eq06}
233 \end{equation}
234 which is associated with the least squares problem
235 \begin{equation}
236 \text{minimize}~\|b-R\alpha\|_2,
237 \label{sec03:eq07}
238 \end{equation}  
239 where $R^T$ denotes the transpose of matrix $R$. Since $R$ (i.e. $AS$) and $b$ are split among $L$ clusters, the symmetric positive definite system~(\ref{sec03:eq06}) is solved in parallel. Thus an iterative method would be more appropriate than a direct one to solve this system. We use the parallel Conjugate Gradient method for the normal equations CGNR~\cite{S96,refCGNR}.
240
241 \begin{algorithm}[!t]
242 \caption{A two-stage linear solver with inner iteration GMRES method}
243 \begin{algorithmic}[1]
244 \Input $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
245 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
246 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
247 \State Set the initial guess $x^0$
248 \State Set the minimizer $\tilde{x}^0=x^0$
249 \For {$k=1,2,3,\ldots$ until the global convergence}
250 \State Restart with $x^0=\tilde{x}^{k-1}$:
251 \For {$j=1,2,\ldots,s$}
252 \State \label{line7}Inner iteration solver: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $j$}
253 \State Construct basis $S$: add column vector $X_\ell^j$ to the matrix $S_\ell^k$
254 \State Exchange local values of $X_\ell^j$ with the neighboring clusters
255 \State Compute dense matrix $R$: $R_\ell^{k,j}=\sum^L_{i=1}A_{\ell i}X_i^j$ 
256 \EndFor 
257 \State \label{line12}Minimization $\|b-R\alpha\|_2$: \Call{UpdateMinimizer}{$S_\ell$, $R$, $b$, $k$}
258 \State Local solution of linear system $Ax=b$: $X_\ell^k=\tilde{X}_\ell^k$
259 \State Exchange the local minimizer $\tilde{X}_\ell^k$ with the neighboring clusters
260 \EndFor
261
262 \Statex
263
264 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $j$}
265 \State Compute local right-hand side $Y_\ell = B_\ell - \sum^L_{\substack{m=1\\m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0$
266 \State Solving local splitting $A_{\ell \ell}X_\ell^j=Y_\ell$ using parallel GMRES method, such that $X_\ell^0$ is the initial guess
267 \State \Return $X_\ell^j$
268 \EndFunction
269
270 \Statex
271
272 \Function {UpdateMinimizer}{$S_\ell$, $R$, $b$, $k$}
273 \State Solving normal equations $(R^k)^TR^k\alpha^k=(R^k)^Tb$ in parallel by $L$ clusters using parallel CGNR method
274 \State Compute local minimizer $\tilde{X}_\ell^k=S_\ell^k\alpha^k$
275 \State \Return $\tilde{X}_\ell^k$
276 \EndFunction
277 \end{algorithmic}
278 \label{algo:01}
279 \end{algorithm}
280
281 The main key points of our Krylov multisplitting method to solve a large sparse linear system are given in Algorithm~\ref{algo:01}. This algorithm is based on a two-stage method with a minimization using restarted GMRES iterative method as an inner solver. It is executed in parallel by each cluster of processors. Matrices and vectors with the subscript $\ell$ represent the local data for cluster $\ell$, where $\ell\in\{1,\ldots,L\}$. The two-stage solver uses two different parallel iterative algorithms: the GMRES method to solve each splitting~(\ref{sec03:eq03}) on a cluster of processors, and the CGNR method, executed periodically in parallel by all clusters to minimize the function error~(\ref{sec03:eq07}) over the Krylov subspace spanned by $S$. The algorithm requires two global synchronizations between $L$ clusters. The first one is performed  line~\ref{line12} in Algorithm~\ref{algo:01} to exchange local values of vector solution $x$ (i.e. the minimizer $\tilde{x}$) required to restart the multisplitting solver. The second one is needed to construct the matrix $R$. We chose to perform this latter synchronization $s$ times in every outer iteration $k$ (line~\ref{line7} in Algorithm~\ref{algo:01}). This is a straightforward way to compute the sparse matrix-dense matrix multiplication $R=AS$. We implemented all synchronizations by using message passing collective communications of MPI library.
282
283 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
284 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
285
286 \section{Experiments}
287 \label{sec:04}
288 In order to illustrate  the interest  of our algorithm, we have  compared our
289 algorithm  with  the  GMRES  method  which  is a commonly  used  method  in  many
290 situations.  We have chosen to focus on only one problem which is very simple to
291 implement: a 3 dimension Poisson problem.
292
293 \begin{equation}
294 \left\{
295                 \begin{array}{ll}
296                   \nabla u&=f \mbox{~in~} \omega\\
297                   u &=0 \mbox{~on~}  \Gamma=\partial \omega
298                 \end{array}
299               \right.
300 \end{equation}
301
302 After discretization, with a finite  difference scheme, a seven point stencil is
303 used. It  is well-known that the  spectral radius of  matrices representing such
304 problems are very close to 1.  Moreover, the larger the number of discretization
305 points is,  the closer to 1  the spectral radius  is.  Hence, to solve  a matrix
306 obtained for  a 3D Poisson  problem, the number  of iterations is high.  Using a
307 preconditioner  it  is   possible  to  reduce  the  number   of  iterations  but
308 preconditioners are not scalable when using many cores.
309
310 %Doing many experiments  with many cores is  not easy and requires to  access to a supercomputer  with several  hours for  developing  a code  and then  improving it. 
311 In the following we present some experiments we could achieve out on the Hector
312 architecture,  a UK's  high-end computing  resource, funded  by the  UK Research
313 Councils~\cite{hector}.  This is  a Cray  XE6 supercomputer,  equipped  with two
314 16-core AMD  Opteron 2.3 Ghz  and 32 GB  of memory. Machines  are interconnected
315 with a 3D torus.
316
317 Table~\ref{tab1} shows  the result of  the experiments.  The first  column shows
318 the  size of  the  3D Poisson  problem.  The size  is chosen  in  order to  have
319 approximately  50,000 components  per core.   The second  column  represents the
320 number of  cores used. In brackets,  one can find the decomposition  used for the
321 Krylov multisplitting. The  third column and the sixth  column respectively show
322 the execution time for the GMRES  and the Krylov multisplitting codes. The fourth
323 and  the   seventh  column  describe   the  number  of  iterations.    For  the
324 multisplitting  code, the  total number  of inner  iterations is  represented in
325 brackets. For  the GMRES code (alone  and in the  multisplitting version) the
326 restart parameter is fixed to 16. The precision of the GMRES version is fixed to
327 1e-6. For  the multisplitting,  there are two  precisions, one for  the external
328 solver which is fixed to 1e-6 and another one for the inner solver (GMRES) which
329 is fixed to 1e-10. It should be noted  that a high precision is used but we also
330 fixed  a maximum number of  iterations for each  internal step. In  practice, we
331 limit the  number of iterations in the internal step to  10. So an internal  iteration is finished
332 when the precision is reached or  when the maximum internal number of iterations
333 is reached. The precision and the maximum number of iterations of CGNR method are fixed to 1e-25 and 20 respectively. The size of the Krylov subspace basis $S$ is fixed to 10 vectors.
334
335 \begin{table}[htbp]
336 \begin{center}
337 \begin{changemargin}{-1.8cm}{0cm}
338 \begin{small}
339 \begin{tabular}{|c|c||c|c|c||c|c|c||c|} 
340 \hline
341 \multirow{2}{*}{Pb size}&\multirow{2}{*}{Nb. cores} &  \multicolumn{3}{c||}{GMRES} &  \multicolumn{3}{c||}{Krylov Multisplitting} & \multirow{2}{*}{Ratio}\\
342  \cline{3-8}
343            &                   &  Time (s) & nb Iter. & $\Delta$  &   Time (s)& nb Iter. & $\Delta$ & \\
344 \hline
345 $468^3$ & 2,048 (2x1,024)        &  299.7    & 41,028    & 5.02e-8  &  48.4    & 691(6,146) & 8.24e-08  & 6.19   \\
346 \hline
347 $590^3$ & 4,096 (2x2,048)        &  433.1    & 55,494    & 4.92e-7  &  74.1    & 1,101(8,211) & 6.62e-08  & 5.84   \\
348 \hline
349 $743^3$ & 8,192 (2x4,096)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  151.2   & 3,061(14,914) & 5.87e-08 & 4.65    \\
350 \hline
351 $743^3$ & 8,192 (4x2,048)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  110.3   & 1,531(12,721) & 1.47e-07& 6.39  \\
352 \hline
353
354 \end{tabular}
355 \caption{Results}
356 \label{tab1}
357 \end{small}
358 \end{changemargin}
359 \end{center}
360 \end{table}
361
362
363 From these  experiments, it can be  observed that the  multisplitting version is
364 always  faster   than  the  GMRES   version.   The  acceleration  gain   of  the
365 multisplitting version ranges between 4 and 6.  It can be noticed that the number of
366 iterations is drastically reduced with the multisplitting version even it is not
367 negligible. Moreover, with 8,192 cores, we  can see that using 4 clusters gives a
368 better performance than simply using 2 clusters. In fact, we can notice that the
369 precision with 2 clusters is slightly  better but in both cases the precision is
370 under the specified threshold.
371
372 \section{Conclusion and perspectives}
373 We  have implemented  a  Krylov  multisplitting method  to  solve sparse  linear
374 systems  on large-scale computing  platforms.  We  have developed  a synchronous
375 two-stage  method based  on the  block Jacobi  multisplitting which  uses GMRES
376 iterative  method as  an inner  iteration.  Our  contribution in  this  paper is
377 twofold. First we provide a multi cluster decomposition that allows us to choose
378 the  appropriate size  of  the clusters  according  to the  architecures of  the
379 supercomputer.  Second,   we  have  implemented  the  outer   iteration  of  the
380 multisplitting method  as a  Krylov subspace method  which minimizes  some error
381 function.  This  increases the convergence  and improves the scalability  of the
382 multisplitting method.
383
384 We  have tested  our multisplitting  method to  solve the  sparse  linear system
385 issued from  the discretization of  a 3D Poisson  problem. We have  compared its
386 performances to the  classical GMRES method on a  supercomputer composed of 2,048
387 to 8,192 cores. The experimental results showed that the multisplitting method is
388 about 4  to 6  times faster  than the GMRES  method for  different sizes  of the
389 problem split into  2 or 4 blocks when using the  multisplitting method. Indeed, the
390 GMRES  method  has  difficulties to  scale  with  many  cores while  the  Krylov
391 multisplitting  method  allows to  hide  latency  and  reduce the  inter-cluster
392 communications.
393
394 In future  works, we plan to conduct  experiments on larger numbers  of cores and
395 test  the  scalability  of  our   Krylov  multisplitting  method.  It  would  be
396 interesting  to validate its  performances to  solve other  linear/nonlinear and
397 symmetric/nonsymmetric problems.  Moreover, we intend  to develop multisplitting
398 methods based  on asynchronous iterations in which  communications are overlapped
399 by computations.  These methods would  be interesting for platforms  composed of
400 distant  clusters interconnected  by  a high-latency  network.  In addition,  we
401 intend  to investigate  the  convergence  improvements of  our  method by  using
402 preconditioning  techniques  for  Krylov  iterative methods  and  multisplitting
403 methods with overlapping blocks.
404
405 \section{Acknowledgement}
406 The authors would like to thank Mark Bull of the EPCC his fruitful remarks and the facilities of HECToR.
407
408 %Other applications (=> other matrices)\\
409 %Larger experiments\\
410 %Async\\
411 %Overlapping\\
412 %preconditioning
413
414
415 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
416 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
417
418 \bibliographystyle{plain}
419 \bibliography{biblio}
420
421 \end{document}