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1 \documentclass{article}
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10
11
12 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{I1nput:}}
13 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
14
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16 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
17
18 \newcommand{\Time}[1]{\mathit{Time}_\mathit{#1}}
19 \newcommand{\Prec}{\mathit{prec}}
20 \newcommand{\Ratio}{\mathit{Ratio}}
21
22 \def\changemargin#1#2{\list{}{\rightmargin#2\leftmargin#1}\item[]}
23 \let\endchangemargin=\endlist
24
25 \title{A scalable multisplitting algorithm to solve large sparse linear systems} 
26 \date{}
27
28 \author[1]{Raphaël Couturier}
29 \author[2]{ Lilia Ziane Khodja}
30 \affil[1]{ Femto-ST Institute\\
31     University of Franche Comte\\
32     France\\
33     email: raphael.couturier@univ-fcomte.fr}
34 \affil[2]{Inria Bordeaux Sud-Ouest\\
35     France\\
36     email: lilia.ziane@inria.fr}
37 \begin{document}
38
39
40 \maketitle
41
42
43 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
44 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
45
46 \begin{abstract}
47 In  this paper  we  revisit  the Krylov  multisplitting  algorithm presented  in
48 \cite{huang1993krylov}  which  uses  a  sequential  method to  minimize  the  Krylov
49 iterations computed by a multisplitting algorithm. Our new algorithm is based on
50 a  parallel multisplitting  algorithm  with few  blocks  of large  size using  a
51 parallel GMRES method inside each block and on a parallel Krylov minimization in
52 order to improve the convergence. Some large scale experiments with a 3D Poisson
53 problem  are  presented  with  up   to  8,192  cores.   They  show  the  obtained
54 improvements compared to a classical GMRES both in terms of number of iterations
55 and in terms of execution times.
56 \end{abstract}
57
58 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
59 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
60
61 \section{Introduction}
62 Iterative methods are used to solve  large sparse linear systems of equations of
63 the form  $Ax=b$ because they are  easier to parallelize than  direct ones. Many
64 iterative  methods have  been proposed  and  adapted by  different researchers.   For
65 example, the GMRES method and the  Conjugate Gradient method are very well known
66 and  used~\cite{S96}. Both methods  are based  on the
67 Krylov subspace which consists in forming  a basis of a sequence of successive
68 matrix powers times the initial residual.
69
70 When  solving large  linear systems  with  many cores,  iterative methods  often
71 suffer  from scalability problems.   This is  due to  their need  for collective
72 communications  to  perform  matrix-vector  products and  reduction  operations.
73 Preconditioners can be  used in order to increase  the convergence of iterative
74 solvers.   However, most  of the  good preconditioners  are not  scalable when
75 thousands of cores are used.
76
77 %Traditional iterative  solvers have  global synchronizations that  penalize the
78 %scalability.   Two  possible solutions  consists  either  in using  asynchronous
79 %iterative  methods~\cite{ref18} or  to  use multisplitting  algorithms. In  this
80 %paper, we will  reconsider the use of a multisplitting  method. In opposition to
81 %traditional  multisplitting  method  that  suffer  from  slow  convergence,  as
82 %proposed  in~\cite{huang1993krylov},  the  use  of a  minimization  process  can
83 %drastically improve the convergence.
84
85 Traditional parallel iterative solvers are based on fine-grain computations that
86 frequently  require  data exchanges  between  computing  nodes  and have  global
87 synchronizations  that penalize  the  scalability. Particularly,  they are  more
88 penalized on large  scale architectures or on distributed  platforms composed of
89 distant  clusters interconnected  by  a high-latency  network.  It is  therefore
90 imperative to develop coarse-grain based algorithms to reduce the communications
91 in the  parallel iterative  solvers. Two possible  solutions consists  either in
92 using  asynchronous  iterative  methods~\cite{ref18}  or in  using  multisplitting
93 algorithms.  In this  paper,  we will  reconsider  the use  of a  multisplitting
94 method. In opposition to traditional multisplitting method that suffer from slow
95 convergence, as  proposed in~\cite{huang1993krylov},  the use of  a minimization
96 process can drastically improve the convergence.\\
97
98
99 %%% AJOUTE************************
100 %%%*******************************
101 \noindent {\bf Contributions:}\\ 
102 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 other 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.\\
103 %%%*******************************
104 %%%*******************************
105
106 The present paper is  organized as follows. First, Section~\ref{sec:02} presents
107 some  related  works and  the  principle  of  multisplitting methods.  Then,  in
108 Section~\ref{sec:03}  the algorithm  of our  Krylov multisplitting
109 method, based  on inner-outer  iterations, is presented. Finally, in  Section~\ref{sec:04}, the
110 parallel experiments on Hector architecture  show the performances of the Krylov
111 multisplitting algorithm compared to the classical GMRES algorithm to solve a 3D
112 Poisson problem.
113
114
115 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
116 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
117
118 \section{Related works and presentation of the multisplitting method}
119 \label{sec:02}
120 A general framework  to study parallel multisplitting methods has  been presented in~\cite{o1985multi}
121 by O'Leary and White. Convergence conditions are given for the
122 most general cases.  Many authors have improved multisplitting algorithms by proposing,
123 for  example,  an  asynchronous  version~\cite{bru1995parallel} or  convergence
124 conditions~\cite{bai1999block,bahi2000asynchronous}     or  other
125 two-stage algorithms~\cite{frommer1992h,bru1995parallel}.
126
127 In~\cite{huang1993krylov},  the  authors  have proposed  a  parallel  multisplitting
128 algorithm in which all the tasks except  one are devoted to solve a sub-block of
129 the splitting  and to send their  local solutions to  the first task which  is in
130 charge of  combining the vectors at  each iteration.  These vectors  form a Krylov
131 basis for  which the first task minimizes  the error function over  the basis to
132 increase the convergence, then the other tasks receive the updated solution until the
133 convergence of the global system. 
134
135 In~\cite{couturier2008gremlins}, the  authors have developed practical implementations
136 of multisplitting algorithms to solve  large scale linear systems. Inner solvers
137 could be  based on sequential direct method  with the LU method  or sequential iterative
138 one with GMRES.
139
140 In~\cite{prace-multi},  the  authors have  designed a  parallel  multisplitting
141 algorithm in which large blocks are solved using a GMRES solver. The authors have
142 performed large scale experiments up-to  32,768 cores and they conclude that
143 an asynchronous  multisplitting algorithm  could be more  efficient  than traditional
144 solvers on an exascale architecture with hundreds of thousands of cores.
145
146 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.
147 \\
148
149 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 
150 \begin{equation}
151 A = M_\ell - N_\ell,
152 \label{eq01}
153 \end{equation}
154 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
155 \begin{equation}
156 x^{k+1}=\displaystyle\sum^L_{\ell=1} E_\ell M^{-1}_\ell (N_\ell x^k + b),~k=1,2,3,\ldots
157 \label{eq02}
158 \end{equation}
159 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
160 \begin{equation}
161 \rho(\displaystyle\sum^L_{\ell=1}E_\ell M^{-1}_\ell N_\ell)<1.
162 \label{eq03}
163 \end{equation}
164 where $\rho$ is the spectral radius of the square matrix.
165
166 The advantage of the multisplitting method is that at each iteration $k$ there are $L$ different linear sub-systems
167 \begin{equation}
168 v_\ell^k=M^{-1}_\ell N_\ell x_\ell^{k-1} + M^{-1}_\ell b,~\ell\in\{1,\ldots,L\},
169 \label{eq04}
170 \end{equation}
171 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
172 \begin{equation}
173 x^k = \displaystyle\sum^L_{\ell=1} E_\ell v_\ell^k,
174 \label{eq05}
175 \end{equation}    
176 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.
177
178 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
179 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
180
181 \section{A two-stage method with a minimization}
182 \label{sec:03}
183
184 %%% MODIFIE ************************
185 %%%*********************************
186 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 multisplitting 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
187 %%%*********************************
188 %%%*********************************
189
190
191 \begin{equation}
192 \left\{
193 \begin{array}{lll}
194 A & = & [A_{1}, \ldots, A_{L}]\\
195 x & = & [X_{1}, \ldots, X_{L}]\\
196 b & = & [B_{1}, \ldots, B_{L}]
197 \end{array}
198 \right.
199 \label{sec03:eq01}
200 \end{equation}  
201 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 $\sum_\ell n_\ell=n$. 
202 %%% MODIFIE ***********************
203 %%%********************************
204 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. 
205 %%%********************************
206 %%%********************************
207 So, the multisplitting format of the linear system is defined as follows
208 \begin{equation}
209 \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, 
210 \label{sec03:eq02}
211 \end{equation} 
212 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 $m\in\{1,\ldots,L\}$.
213
214 Our multisplitting method proceeds by iteration to solve the linear system in such a way that each sub-system
215 \begin{equation}
216 \left\{
217 \begin{array}{l}
218 A_{\ell \ell}X_\ell = Y_\ell \mbox{,~such that}\\
219 Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m,
220 \end{array}
221 \right.
222 \label{sec03:eq03}
223 \end{equation}
224 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}). 
225 %%% MODIFIE ***********************
226 %%%********************************
227 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. 
228 %%%********************************
229 %%%********************************
230 %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.  
231
232 It should  be noted that the convergence  of the inner iterative  solver for the
233 different  sub-systems~(\ref{sec03:eq03})  does   not  necessarily  involve  the
234 convergence of the multisplitting algorithm.  It strongly depends on the properties
235 of       the       global      sparse       linear       system      to       be
236 solved~\cite{o1985multi,ref18}. Furthermore, the  splitting of the linear system
237 among  several clusters  of  processors  increases the  spectral  radius of  the
238 iteration  matrix, thereby  slowing the  convergence.  In  fact, the  larger the
239 number of  splittings is, the larger the  spectral radius is.  In  this paper, our
240 work is based  on   the  work   presented  in~\cite{huang1993krylov}  to   increase  the
241 convergence and improve the scalability of the multisplitting methods.
242
243 %%% AJOUTE ************************
244 %%%********************************
245 Krylov subspace methods are well-known for their good convergence compared to other iterative methods. 
246 %%%********************************
247 %%%********************************
248 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})
249 \begin{equation}
250 S=\{x^1,x^2,\ldots,x^s\},~s\leq n,
251 \label{sec03:eq04}
252 \end{equation}
253 where for $j\in\{1,\ldots,s\}$, $x^j=[X_1^j,\ldots,X_L^j]$ is a solution of the global linear system. 
254 %%% MODIFIE ***********************
255 %%%********************************
256 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.
257
258 The multisplitting method is periodically restarted every $s$ iterations with a new initial guess $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes an error function, in our case it minimizes the residuals $\|b-Ax\|_2$ over the Krylov subspace spanned by vectors of $S$. So $\alpha$ is defined as the solution of the large overdetermined linear system
259 %%%********************************
260 %%%********************************
261
262 \begin{equation}
263 R\alpha=b,
264 \label{sec03:eq05}
265 \end{equation}
266 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
267 \begin{equation}
268 R^TR\alpha=R^Tb,
269 \label{sec03:eq06}
270 \end{equation}
271 which is associated with the least squares problem
272 \begin{equation}
273 \text{minimize}~\|b-R\alpha\|_2,
274 \label{sec03:eq07}
275 \end{equation}  
276 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}.
277
278 \begin{algorithm}[!t]
279 \caption{A two-stage linear solver with inner iteration GMRES method}
280 \begin{algorithmic}[1]
281 \Input $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
282 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
283 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
284 \State Set the initial guess $x^0$
285 \State Set the minimizer $\tilde{x}^0=x^0$
286 \For {$k=1,2,3,\ldots$ until the global convergence}
287 \State Restart with $x^0=\tilde{x}^{k-1}$:
288 \For {$j=1,2,\ldots,s$}
289 \State \label{line7}Inner iteration solver: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $j$}
290 \State Construct basis $S$: add column vector $X_\ell^j$ to the matrix $S_\ell^k$
291 \State Exchange local values of $X_\ell^j$ with the neighboring clusters
292 \State Compute dense matrix $R$: $R_\ell^{k,j}=\sum^L_{i=1}A_{\ell i}X_i^j$ 
293 \EndFor 
294 \State \label{line12}Minimization $\|b-R\alpha\|_2$: \Call{UpdateMinimizer}{$S_\ell$, $R$, $b$, $k$}
295 \State Local solution of linear system $Ax=b$: $X_\ell^k=\tilde{X}_\ell^k$
296 \State Exchange the local minimizer $\tilde{X}_\ell^k$ with the neighboring clusters
297 \EndFor
298
299 \Statex
300
301 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $j$}
302 \State Compute local right-hand side $Y_\ell = B_\ell - \sum^L_{\substack{m=1\\m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0$
303 \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
304 \State \Return $X_\ell^j$
305 \EndFunction
306
307 \Statex
308
309 \Function {UpdateMinimizer}{$S_\ell$, $R$, $b$, $k$}
310 \State Solving normal equations $(R^k)^TR^k\alpha^k=(R^k)^Tb$ in parallel by $L$ clusters using parallel CGNR method
311 \State Compute local minimizer $\tilde{X}_\ell^k=S_\ell^k\alpha^k$
312 \State \Return $\tilde{X}_\ell^k$
313 \EndFunction
314 \end{algorithmic}
315 \label{algo:01}
316 \end{algorithm}
317
318 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.
319
320 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
321 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
322
323 \section{Experiments}
324 \label{sec:04}
325 %%% MODIFIE ***********************
326 %%%********************************
327 In order to illustrate the interest of our Krylov multisplitting algorithm, we have compared its performances with those of a classical block Jacobi multisplitting method and those of the GMRES method which is a commonly used method in many situations.
328 %%%********************************
329 %%%********************************
330  We have chosen to focus on only one problem which is very simple to implement: a 3 dimension Poisson problem.
331
332 \begin{equation}
333 \left\{
334                 \begin{array}{ll}
335                   \nabla u&=f \mbox{~in~} \omega\\
336                   u &=0 \mbox{~on~}  \Gamma=\partial \omega
337                 \end{array}
338               \right.
339 \end{equation}
340
341 After discretization, with a finite  difference scheme, a seven point stencil is
342 used. It  is well-known that the  spectral radius of  matrices representing such
343 problems are very close to 1.  Moreover, the larger the number of discretization
344 points is,  the closer to 1  the spectral radius  is.  Hence, to solve  a matrix
345 obtained for  a 3D Poisson  problem, the number  of iterations is high.  Using a
346 preconditioner  it  is   possible  to  reduce  the  number   of  iterations  but
347 preconditioners are not scalable when using many cores.
348
349
350 %%% AJOUTE ************************
351 %%%********************************
352 We have performed some experiments on an infiniband cluster of three Intel Xeon quad-core E5620 CPUs of 2.40 GHz and 12 GB of memory. For the GMRES code (alone and in both multisplitting versions) the restart parameter is fixed to 16. The precision of the GMRES version is fixed to 1e-6. For the multisplitting versions, there are two precisions, one for the external solver which is fixed to 1e-6 and another one for the inner solver (GMRES) which is fixed to 1e-10. It should be noted that a high precision is used but we also fixed a maximum number of iterations for each internal step. In practice, we limit the number of iterations in the internal step to 10. So an internal iteration is finished when the precision is reached or when the maximum internal number of iterations is reached. The precision and the maximum number of iterations of CGNR method used by our Krylov multisplitting algorithm are fixed to 1e-25 and 20 respectively. The size of the Krylov subspace basis $S$ is fixed to 10 vectors.
353
354 \begin{figure}[htbp]
355 \centering
356   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{strong_scaling_150x150x150}
357 \caption{Strong scaling with 3 clusters of 4 cores to solve a 3D Poisson problem of size $150^3$ components}
358 \label{fig:001}
359 \end{figure}
360
361 \begin{figure}[htbp]
362 \centering
363 \begin{tabular}{c}
364 \includegraphics[width=0.8\textwidth]{weak_scaling_280k} \\ \includegraphics[width=0.8\textwidth]{weak_scaling_280K}\\
365 \end{tabular}
366 \caption{Weak scaling with 3 clusters of 4 cores to solve a 3D Poisson problem with approximately 280K components per core}
367 \label{fig:002}
368 \end{figure}
369
370 The experiments are performed on 3 different clusters of cores interconnected by an infiniband network (each cluster is a quad-core CPU). Figures~\ref{fig:001} and~\ref{fig:002} show the scalability performances of GMRES, classical multisplitting and Krylov multisplitting methods: strong and weak scaling are presented respectively. We can remark from these figures that the performances of our Krylov multisplitting method are better than those of GMRES and classical multisplitting methods. In the experiments conducted in this work, our method is about twice faster than the GMRES method and about 9 times faster than the classical multisplitting method. Our multisplitting method uses a minimization step over a Krylov subspace which reduces the number of iterations and accelerates the convergence. We can also remark that the performances of the classical block Jacobi multisplitting method are the worst compared with those of the other two methods. This is why in the following experiments we compare the performances of our Krylov multisplitting method with only those of the GMRES method.
371 %%%********************************
372 %%%********************************
373
374
375 %%% MODIFIE ************************
376 %%%*********************************
377 %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. 
378 In the following we present some experiments we could achieve out on the Hector
379 architecture,  a UK's  high-end computing  resource, funded  by the  UK Research
380 Councils~\cite{hector}.  This is  a Cray  XE6 supercomputer,  equipped  with two
381 16-core AMD  Opteron 2.3 GHz  and 32 GB  of memory. Machines  are interconnected
382 with a 3D torus. The different parameters used by the GMRES and the Krylov multisplitting codes are as those previously mentioned. 
383
384 Table~\ref{tab1} shows  the result of  the experiments.  The first  column shows
385 the  size of  the  3D Poisson  problem.  The size  is chosen  in  order to  have
386 approximately  50,000 components  per core.   The second  column  represents the
387 number of  cores used. In brackets,  one can find the decomposition  used for the
388 Krylov multisplitting. The  third column and the sixth  column respectively show
389 the execution time for the GMRES  and the Krylov multisplitting codes. The fourth
390 and  the   seventh  column  describe   the  number  of  iterations.    For  the
391 multisplitting  code, the  total number  of inner  iterations is  represented in
392 brackets.
393 %%%********************************
394 %%%******************************** 
395
396 \begin{table}[htbp]
397 \begin{center}
398 \begin{changemargin}{-1.8cm}{0cm}
399 \begin{small}
400 \begin{tabular}{|c|c||c|c|c||c|c|c||c|} 
401 \hline
402 \multirow{2}{*}{Pb size}&\multirow{2}{*}{Nb. cores} &  \multicolumn{3}{c||}{GMRES} &  \multicolumn{3}{c||}{Krylov Multisplitting} & \multirow{2}{*}{Ratio}\\
403  \cline{3-8}
404            &                   &  Time (s) & nb Iter. & $\Delta$  &   Time (s)& nb Iter. & $\Delta$ & \\
405 \hline
406 $468^3$ & 2,048 (2x1,024)        &  299.7    & 41,028    & 5.02e-8  &  48.4    & 691(6,146) & 8.24e-08  & 6.19   \\
407 \hline
408 $590^3$ & 4,096 (2x2,048)        &  433.1    & 55,494    & 4.92e-7  &  74.1    & 1,101(8,211) & 6.62e-08  & 5.84   \\
409 \hline
410 $743^3$ & 8,192 (2x4,096)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  151.2   & 3,061(14,914) & 5.87e-08 & 4.65    \\
411 \hline
412 $743^3$ & 8,192 (4x2,048)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  110.3   & 1,531(12,721) & 1.47e-07& 6.39  \\
413 \hline
414
415 \end{tabular}
416 \caption{Results}
417 \label{tab1}
418 \end{small}
419 \end{changemargin}
420 \end{center}
421 \end{table}
422
423 From these  experiments, it can be  observed that the  multisplitting version is
424 always  faster   than  the  GMRES   version.   The  acceleration  gain   of  the
425 multisplitting version ranges between 4 and 6.  It can be noticed that the number of
426 iterations is drastically reduced with the multisplitting version even it is not
427 negligible. Moreover, with 8,192 cores, we  can see that using 4 clusters gives a
428 better performance than simply using 2 clusters. In fact, we can notice that the
429 precision with 2 clusters is slightly  better but in both cases the precision is
430 under the specified threshold.
431
432
433 %%% AJOUTE************************
434 %%%*******************************
435 In Figure~\ref{fig:01}, the number of iterations per second is reported for both
436 GMRES and the  multisplitting methods. It should be noted that  we took only the
437 inner number  of iterations (i.e.  the GMRES iterations) for  the multisplitting
438 method. Iterations of CGNR are not  taken into account. From this figure, it can
439 be seen that the  number of iterations per second is higher  with GMRES but it is
440 not  so different  with the  multisplitting method.  For the  case  with $8,192$
441 cores,  the number of  iterations per  second with  4 clusters  is approximately
442 equals to 115. So it is not different from GMRES.
443
444 \begin{figure}[htbp]
445 \centering
446   \includegraphics[width=0.7\textwidth]{nb_iter_sec}
447 \caption{Number of iterations per second  with the same parameters as in Table~\ref{tab1} (weak scaling) with only 2 clusters}
448 \label{fig:01}
449 \end{figure}
450
451 \noindent {\bf Final remarks:}\\
452 It should  be noted, on  the one  hand, that the  development of a  complete new
453 method usable with any  kind of problem is a really long  and fastidious task if
454 one is working from  scratch. On the other hand, using an  existing tool for the
455 inner solver is also not easy because it requires to make link between the inner
456 solver  and the outer  one.  We  plan to  do that  later with  engineers working
457 specifically on  that point.  Moreover,  we think that  it is very  important to
458 analyze the convergence  of this method compared to other  methods. In this work,
459 we have  focused on the  description of this  method and its performance  with a
460 typical application. Many other investigations are required for this method as explained in the next section.
461 %%%*******************************
462 %%%*******************************
463
464 \section{Conclusion and perspectives}
465 We  have implemented  a  Krylov  multisplitting method  to  solve sparse  linear
466 systems  on large-scale computing  platforms.  We  have developed  a synchronous
467 two-stage  method based  on the  block Jacobi  multisplitting which  uses GMRES
468 iterative  method as  an inner  iteration.  Our  contribution in  this  paper is
469 twofold. First we provide a multi cluster decomposition that allows us to choose
470 the  appropriate size  of  the clusters  according  to the  architecures of  the
471 supercomputer.  Second,   we  have  implemented  the  outer   iteration  of  the
472 multisplitting method  as a  Krylov subspace method  which minimizes  some error
473 function.  This  increases the convergence  and improves the scalability  of the
474 multisplitting method.
475
476 We  have tested  our multisplitting  method to  solve the  sparse  linear system
477 issued from  the discretization of  a 3D Poisson  problem. We have  compared its
478 performances to the  classical GMRES method on a  supercomputer composed of 2,048
479 up-to 8,192 cores. The experimental results showed that the multisplitting method is
480 about 4  to 6  times faster  than the GMRES  method for  different sizes  of the
481 problem split into  2 or 4 blocks when using the  multisplitting method. Indeed, the
482 GMRES  method  has  difficulties to  scale  with  many  cores while  the  Krylov
483 multisplitting  method  allows to  hide  latency  and  reduce the  inter-cluster
484 communications.
485
486 In future  works, we plan to conduct  experiments on larger numbers  of cores and
487 test  the  scalability  of  our   Krylov  multisplitting  method.  It  would  be
488 interesting  to validate its  performances to  solve other  linear/nonlinear and
489 symmetric/nonsymmetric problems.  Moreover, we intend  to develop multisplitting
490 methods based  on asynchronous iterations in which  communications are overlapped
491 by computations.  These methods would  be interesting for platforms  composed of
492 distant  clusters interconnected  by  a high-latency  network.  In addition,  we
493 intend  to investigate  the  convergence  improvements of  our  method by  using
494 preconditioning  techniques  for  Krylov  iterative methods  and  multisplitting
495 methods with overlapping blocks.
496
497 \section{Acknowledgement}
498 The authors would like to thank Mark Bull of the EPCC his fruitful remarks and the facilities of HECToR.
499
500 %Other applications (=> other matrices)\\
501 %Larger experiments\\
502 %Async\\
503 %Overlapping\\
504 %preconditioning
505
506
507 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
508 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
509
510 \bibliographystyle{plain}
511 \bibliography{biblio}
512
513 \end{document}