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27-04-2014
[Krylov_multi.git] / krylov_multi.tex
1 \documentclass{article}
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9
10 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
11 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
12
13 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
14 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
15
16 \newcommand{\Time}[1]{\mathit{Time}_\mathit{#1}}
17 \newcommand{\Prec}{\mathit{prec}}
18 \newcommand{\Ratio}{\mathit{Ratio}}
19
20 \usepackage{xspace}
21 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
22 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
23 \todo[color=green!40,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
24
25 \title{A scalable multisplitting algorithm for solving large sparse linear systems} 
26 \date{}
27
28
29
30 \begin{document}
31 \author{Raphaël Couturier \and Lilia Ziane Khodja}
32
33 \maketitle
34
35
36 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
37 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
38
39 \begin{abstract}
40 In  this paper  we  revisit  the krylov  multisplitting  algorithm presented  in
41 \cite{huang1993krylov}  which  uses  a  scalar  method to  minimize  the  krylov
42 iterations computed by a multisplitting algorithm. Our new algorithm is based on
43 a  parallel multisplitting  algorithm  with few  blocks  of large  size using  a
44 parallel GMRES method inside each block and on a parallel krylov minimization in
45 order to improve the convergence. Some large scale experiments with a 3D Poisson
46 problem  are presented.   They  show  the obtained  improvements  compared to  a
47 classical GMRES both in terms of number of iterations and execution times.
48 \end{abstract}
49
50 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
51 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
52
53 \section{Introduction}
54 Iterative methods are used to solve  large sparse linear systems of equations of
55 the form  $Ax=b$ because they are  easier to parallelize than  direct ones. Many
56 iterative  methods have  been proposed  and  adapted by  many researchers.   For
57 example, the GMRES method and the  Conjugate Gradient method are very well known
58 and  used by  many researchers~\cite{S96}. Both  the method  are based  on the
59 Krylov subspace which consists in forming  a basis of the sequence of successive
60 matrix powers times the initial residual.
61
62 When  solving large  linear systems  with  many cores,  iterative methods  often
63 suffer  from scalability problems.   This is  due to  their need  for collective
64 communications  to  perform  matrix-vector  products and  reduction  operations.
65 Preconditionners can be  used in order to increase  the convergence of iterative
66 solvers.   However, most  of the  good preconditionners  are not  sclalable when
67 thousands of cores are used.
68
69 Traditional iterative  solvers have  global synchronizations that  penalize the
70 scalability.   Two  possible solutions  consists  either  in using  asynchronous
71 iterative  methods~\cite{ref18} or  to  use multisplitting  algorithms. In  this
72 paper, we will  reconsider the use of a multisplitting  method. In opposition to
73 traditionnal  multisplitting  method  that  suffer  from  slow  convergence,  as
74 proposed  in~\cite{huang1993krylov},  the  use  of a  minimization  process  can
75 drastically improve the convergence.
76
77 \LZK[]{Suite\dots}
78
79 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
80 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
81
82 \section{Related works}
83 A general framework  for studying parallel multisplitting has  been presented in~\cite{o1985multi}
84 by O'Leary and White. Convergence conditions are given for the
85 most general case.  Many authors improved multisplitting algorithms by proposing
86 for  example  an  asynchronous  version~\cite{bru1995parallel}  and  convergence
87 conditions~\cite{bai1999block,bahi2000asynchronous}   in  this  case   or  other
88 two-stage algorithms~\cite{frommer1992h,bru1995parallel}.
89
90 In~\cite{huang1993krylov},  the  authors  proposed  a  parallel  multisplitting
91 algorithm in which all the tasks except  one are devoted to solve a sub-block of
92 the splitting  and to send their  local solution to  the first task which  is in
93 charge to  combine the vectors at  each iteration.  These vectors  form a Krylov
94 basis for  which the first task minimizes  the error function over  the basis to
95 increase the convergence, then the other tasks receive the updated solution until
96 convergence of the global system. 
97
98 In~\cite{couturier2008gremlins}, the  authors proposed practical implementations
99 of multisplitting algorithms that take benefit from multisplitting algorithms\LZK[]{répétition ???} to
100 solve large scale linear systems. Inner  solvers could be based on scalar direct
101 method with the LU method or scalar iterative one with GMRES.\LZK[]{lu et gmres par exemple}
102
103 In~\cite{prace-multi},  the  authors have  proposed a  parallel  multisplitting
104 algorithm in which large blocks are solved using a GMRES solver. The authors have
105 performed large scale experiments up-to  32,768 cores and they conclude that
106 asynchronous  multisplitting algorithm  could be more  efficient  than traditional
107 solvers on exascale architecture with hundreds of thousands of cores.
108
109 \LZK[]{Peut-être autres related works\ldots}\\
110
111 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 
112 \begin{equation}
113 A = M_l - N_l,
114 \label{eq01}
115 \end{equation}
116 where for all $l\in\{1,\ldots,L\}$ $M_l$ are non-singular matrices. Then the linear system is solved by iteration based on the obtained splittings as follows
117 \begin{equation}
118 x^{k+1}=\displaystyle\sum^L_{l=1} E_l M^{-1}_l (N_l x^k + b),~k=1,2,3,\ldots
119 \label{eq02}
120 \end{equation}
121 where $E_l$ 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
122 \begin{equation}
123 \rho(\displaystyle\sum^L_{l=1}E_l M^{-1}_l N_l)<1.
124 \label{eq03}
125 \end{equation}
126 where $\rho$ is the spectral radius of the square matrix.
127
128 The advantage of the multisplitting method is that at each iteration $k$ there are $L$ different linear sub-systems
129 \begin{equation}
130 v_l^k=M^{-1}_l N_l x_l^{k-1} + M^{-1}_l b,~l\in\{1,\ldots,L\},
131 \label{eq04}
132 \end{equation}
133 to be solved independently by a direct or an iterative method, where $v_l^k$ is the solution of the local sub-system. Thus the computations of $\{v_l\}_{1\leq l\leq L}$ 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 $v_l$ obtained from the different splittings~(\ref{eq04}) are combined to compute solution $x$ of the linear system by using the diagonal weighting matrices
134 \begin{equation}
135 x^k = \displaystyle\sum^L_{l=1} E_l v_l^k,
136 \label{eq05}
137 \end{equation}    
138 In the case where the diagonal weighting matrices $E_l$ have only zero and one factors (i.e. $v_l$ are disjoint vectors), the multisplitting method is non-overlapping and corresponds to the block Jacobi method.
139
140 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
141 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
142
143 \section{A two-stage method with a minimization}
144 Let $Ax=b$ be a given large and sparse linear system of $n$ equations to solve in parallel on $L$ clusters of processors, physically adjacent or geographically distant, where $A\in\mathbb{R}^{n\times n}$ is a 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. The multisplitting of this linear system is defined as follows
145 \begin{equation}
146 \left\{
147 \begin{array}{lll}
148 A & = & [A_{1}, \ldots, A_{L}]\\
149 x & = & [X_{1}, \ldots, X_{L}]\\
150 b & = & [B_{1}, \ldots, B_{L}]
151 \end{array}
152 \right.
153 \label{sec03:eq01}
154 \end{equation}  
155 where for $l\in\{1,\ldots,L\}$, $A_l$ is a rectangular block of size $n_l\times n$ and $X_l$ and $B_l$ are sub-vectors of size $n_l$ each, such that $\sum_ln_l=n$. In this work, we use a row-by-row splitting 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
156 \begin{equation}
157 \forall l\in\{1,\ldots,L\} \mbox{,~} \displaystyle\sum_{m=1}^{l-1}A_{lm}X_m + A_{ll}X_l + \displaystyle\sum_{m=l+1}^{L}A_{lm}X_m = B_l, 
158 \label{sec03:eq02}
159 \end{equation} 
160 where $A_{lm}$ is a sub-block of size $n_l\times  n_m$ of the rectangular matrix $A_l$, $X_m\neq  X_l$ is a sub-vector of size $n_m$ of the solution vector $x$ and $\sum_{m\neq l}n_m+n_l=n$, for all $m\in\{1,\ldots,L\}$.
161
162 Our multisplitting method proceeds by iteration for solving the linear system in such a way each sub-system
163 \begin{equation}
164 \left\{
165 \begin{array}{l}
166 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
167 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\m\neq l}}^{L}A_{lm}X_m,
168 \end{array}
169 \right.
170 \label{sec03:eq03}
171 \end{equation}
172 is solved independently by a {\it cluster of processors} and communication are required to update the right-hand side vectors $Y_l$, 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 in parallel on clusters of processors. %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.  
173
174 It should be noted that the convergence of the inner iterative solver for the different sub-systems~(\ref{sec03:eq03}) does not necessarily involve the convergence of the multisplitting method. It strongly depends on the properties of the global sparse linear system to be solved and the computing environment~\cite{o1985multi,ref18}. Furthermore, the multisplitting
175 of the linear system among several clusters of processors increases the spectral radius of the iteration matrix, thereby slowing the convergence. In this work, we based on the work presented in~\cite{huang1993krylov} to increase the convergence and improve the scalability of the multisplitting methods.
176
177 In order to accelerate the convergence, we implemented the outer iteration of the multisplitting solver as a Krylov subspace 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})
178 \begin{equation}
179 S=\{x^1,x^2,\ldots,x^s\},~s\leq n,
180 \label{sec03:eq04}
181 \end{equation}
182 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 need neither an orthogonal basis nor synchronizations between clusters to generate this basis.
183
184 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
185 \begin{equation}
186 R\alpha=b,
187 \label{sec03:eq05}
188 \end{equation}
189 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
190 \begin{equation}
191 R^TR\alpha=R^Tb,
192 \label{sec03:eq06}
193 \end{equation}
194 which is associated with the least squares problem
195 \begin{equation}
196 \text{minimize}~\|b-R\alpha\|_2,
197 \label{sec03:eq07}
198 \end{equation}  
199 where $R^T$ denotes the transpose of the 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}.
200
201 \begin{algorithm}[!t]
202 \caption{A two-stage linear solver with inner iteration GMRES method}
203 \begin{algorithmic}[1]
204 \Input $A_l$ (sparse sub-matrix), $B_l$ (right-hand side sub-vector)
205 \Output $X_l$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
206 \State Load $A_l$, $B_l$
207 \State Initialize the initial guess $x^0$
208 \State Set the minimizer $\tilde{x}^0=x^0$
209 \For {$k=1,2,3,\ldots$ until the global convergence}
210 \State Restart with $x^0=\tilde{x}^{k-1}$:
211 \For {$j=1,2,\ldots,s$}
212 \State Inner iteration solver: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $j$}
213 \State Construct basis $S$: add column vector $X_l^j$ to the matrix $S_l^k$
214 \State Exchange local values of $X_l^j$ with the neighboring clusters
215 \State Compute dense matrix $R$: $R_l^{k,j}=\sum^L_{i=1}A_{li}X_i^j$ 
216 \EndFor 
217 \State Minimization $\|b-R\alpha\|_2$: \Call{UpdateMinimizer}{$S_l$, $R$, $b$, $k$}
218 \State Local solution of the linear system $Ax=b$: $X_l^k=\tilde{X}_l^k$
219 \State Exchange the local minimizer $\tilde{X}_l^k$ with the neighboring clusters
220 \EndFor
221
222 \Statex
223
224 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $j$}
225 \State Compute local right-hand side $Y_l = B_l - \sum^L_{\substack{m=1\\m\neq l}}A_{lm}X_m^0$
226 \State Solving local splitting $A_{ll}X_l^j=Y_l$ using parallel GMRES method, such that $X_l^0$ is the initial guess
227 \State \Return $X_l^j$
228 \EndFunction
229
230 \Statex
231
232 \Function {UpdateMinimizer}{$S_l$, $R$, $b$, $k$}
233 \State Solving normal equations $(R^k)^TR^k\alpha^k=(R^k)^Tb$ in parallel by $L$ clusters using parallel CGNR method
234 \State Compute local minimizer $\tilde{X}_l^k=S_l^k\alpha^k$
235 \State \Return $\tilde{X}_l^k$
236 \EndFunction
237 \end{algorithmic}
238 \label{algo:01}
239 \end{algorithm}
240
241 The main key points of our 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 $l$ represent the local data for cluster  $l$, where $l\in\{1,\ldots,L\}$. The two-stage solver uses two different parallel iterative algorithms: GMRES method to solve each splitting~(\ref{sec03:eq03}) on a cluster of processors, and CGNR method executed 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 at line~$12$ 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 $R$ of the Krylov subspace. We chose to perform this latter synchronization $s$ times in every outer iteration $k$ (line~$7$ 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.
242
243 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
244 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
245
246 \section{Experiments}
247 In order to illustrate  the interest  of our algorithm. We have  compared our
248 algorithm  with  the  GMRES  method  which  is a very  well  used  method  in  many
249 situations.  We have chosen to focus on only one problem which is very simple to
250 implement: a 3 dimension Poisson problem.
251
252 \begin{equation}
253 \left\{
254                 \begin{array}{ll}
255                   \nabla u&=f \mbox{~in~} \omega\\
256                   u &=0 \mbox{~on~}  \Gamma=\partial \omega
257                 \end{array}
258               \right.
259 \end{equation}
260
261 After discretization, with a finite  difference scheme, a seven point stencil is
262 used. It  is well-known that the  spectral radius of  matrices representing such
263 problems are very close to 1.  Moreover, the larger the number of discretization
264 points is,  the closer to 1  the spectral radius  is.  Hence, to solve  a matrix
265 obtained for  a 3D Poisson  problem, the number  of iterations is high.  Using a
266 preconditioner  it  is   possible  to  reduce  the  number   of  iterations  but
267 preconditioners are not scalable when using many cores.
268
269 Doing many experiments  with many cores is  not easy and requires to  access to a
270 supercomputer  with several  hours for  developing  a code  and then  improving
271 it. In the following we presented  some experiments we could achieved out on the
272 Hector architecture,  the previous UK's  high-end computing resource,  funded by
273 the UK Research Councils, which has been stopped in the early 2014.
274
275 Table~\ref{tab1} shows  the result of  the experiments.  The first  column shows
276 the  size of  the  3D Poisson  problem.  The size  is chosen  in  order to  have
277 approximately  50,000 components  per core.   The second  column  represents the
278 number of  cores used. In parenthesis,  there is the decomposition  used for the
279 Krylov multisplitting. The  third column and the sixth  column respectively show
280 the execution time for the GMRES  and the Kyrlov multisplitting codes. The fourth
281 and  the   seventh  column  describes   the  number  of  iterations.    For  the
282 multisplitting  code, the  total number  of inner  iterations is  represented in
283 parenthesis. For  the GMRES code (alone  and in the  multisplitting version) the
284 restart parameter is fixed to 16. The precision of the GMRES version is fixed to
285 1e-6. For  the multisplitting,  there are two  precisions, one for  the external
286 solver which is fixed to 1e-6 and another one for the inner solver (GMRES) which
287 is fixed to 1e-10. It should be noted  that a high precision is used but we also
288 fixed a  maximum number of  iterations for each  internal step. In  practise, we
289 limit the  number of internal step to  10. So an internal  iteration is finished
290 when the precision is reached or  when the maximum internal number of iterations
291 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.
292 \LZK{J'ai ajouté les paramètres concernant la résolution du problème de moindres carrés. Confirmer leur valeurs.}
293
294
295
296 \begin{table}[htbp]
297 \begin{center}
298 \begin{tabular}{|c|c||c|c|c||c|c|c||c|} 
299 \hline
300 \multirow{2}{*}{Pb size}&\multirow{2}{*}{Nb. cores} &  \multicolumn{3}{c||}{GMRES} &  \multicolumn{3}{c||}{Krylov Multisplitting} & \multirow{2}{*}{Ratio}\\
301  \cline{3-8}
302            &                   &  Time (s) & nb Iter. & $\Delta$  &   Time (s)& nb Iter. & $\Delta$ & \\
303 \hline
304 $468^3$ & 2048 (2x1024)        &  299.7    & 41,028    & 5.02e-8  &  48.4    & 691(6,146) & 8.24e-08  & 6.19   \\
305 \hline
306 $590^3$ & 4096 (2x2048)        &  433.1    & 55,494    & 4.92e-7  &  74.1    & 1,101(8,211) & 6.62e-08  & 5.84   \\
307 \hline
308 $743^3$ & 8192 (2x4096)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  151.2   & 3,061(14,914) & 5.87e-08 & 4.65    \\
309 \hline
310 $743^3$ & 8192 (4x2048)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  110.3   & 1,531(12,721) & 1.47e-07& 6.39  \\
311 \hline
312
313 \end{tabular}
314 \caption{Results}
315 \label{tab1}
316 \end{center}
317 \end{table}
318
319
320 From these  experiments, it can be  observed that the  multisplitting version is
321 always  faster   than  the  GMRES   version.   The  acceleration  gain   of  the
322 multisplitting version is between 4 and 6.  It can be noticed that the number of
323 iterations is drastically reduced with  the multisplitting version even it is not
324 neglectable.
325
326 \section{Conclusion and perspectives}
327 We have implemented a Krylov multisplitting method to solve sparse linear systems on large-scale computing platforms. We have developed a synchronous two-stage method based on the block Jacobi multisplitting and uses GMRES iterative method as an inner iteration. Our contribution in this paper is twofold. First we have constituted a multi-cluster environment based on processors of the large-scale computing platform on which each linear sub-system issued from the splitting is solved in parallel by a cluster of processors. Second, we have implemented the outer iteration of the multisplitting method as a Krylov subspace method which minimizes some error function. This increases the convergence and improves the scalability of the multisplitting method.
328
329 We have tested our multisplitting method for solving the sparse linear system issued from the discretization of the 3D Poisson problem. We have compared its performances to GMRES method on a supercomputer composed of 2048 to 8192 cores. The experimental results showed that the multisplitting method is about 4 to 6 times faster than the GMRES method for different sizes of the problem split into 2 or 4 blocks when using the multisplitting method. Indeed, the GMRES method has difficulties to scale with many cores while the Krylov multisplitting method allows to hide latency and reduce the inter-cluster communications.
330
331 In future works, we plan to conduct experiments on larger number of cores and test the scalability of our Krylov multisplitting method. It would be interesting to validate its performances for solving other linear/nonlinear and symmetric/nonsymmetric problems. Moreover, we intend to develop multisplitting methods based on asynchronous iteration in which communications are overlapped by computations. These methods would be interesting for platforms composed of distant clusters interconnected by a high-latency network. In addition, we intend to investigate the convergence improvements by using preconditioning techniques and multisplitting methods with overlapping blocks.    
332
333
334 %Other applications (=> other matrices)\\
335 %Larger experiments\\
336 %Async\\
337 %Overlapping\\
338 %preconditioning
339
340
341 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
342 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
343
344 \bibliographystyle{plain}
345 \bibliography{biblio}
346
347 \end{document}