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[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 \title{A scalable multisplitting algorithm for solving large sparse linear systems} 
21 \date{}
22
23
24
25 \begin{document}
26 \author{Raphaël Couturier \and Lilia Ziane Khodja}
27
28 \maketitle
29
30
31 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
32 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
33
34
35 \begin{abstract}
36 In  this paper  we  revisit  the krylov  multisplitting  algorithm presented  in
37 \cite{huang1993krylov}  which  uses  a  scalar  method to  minimize  the  krylov
38 iterations computed by a multisplitting algorithm. Our new algorithm is based on
39 a  parallel multisplitting  algorithm  with few  blocks  of large  size using  a
40 parallel GMRES method inside each block and on a parallel krylov minimization in
41 order to improve the convergence. Some large scale experiments with a 3D Poisson
42 problem  are presented.   They  show  the obtained  improvements  compared to  a
43 classical GMRES both in terms of number of iterations and execution times.
44 \end{abstract}
45
46
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48 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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50
51 \section{Introduction}
52
53 Iterative methods are used to solve  large sparse linear systems of equations of
54 the form  $Ax=b$ because they are  easier to parallelize than  direct ones. Many
55 iterative  methods have  been proposed  and  adapted by  many researchers.   For
56 example, the GMRES method and the  Conjugate Gradient method are very well known
57 and  used by  many researchers  ~\cite{S96}. Both  the method  are based  on the
58 Krylov subspace which consists in forming  a basis of the sequence of successive
59 matrix powers times the initial residual.
60
61 When  solving large  linear systems  with  many cores,  iterative methods  often
62 suffer  from scalability problems.   This is  due to  their need  for collective
63 communications  to  perform  matrix-vector  products and  reduction  operations.
64 Preconditionners can be  used in order to increase  the convergence of iterative
65 solvers.   However, most  of the  good preconditionners  are not  sclalable when
66 thousands of cores are used.
67
68
69 Traditionnal 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
78
79
80 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
81 %% BEGIN
82 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
83 The key idea  of the multisplitting method for  solving a large system
84 of linear equations $Ax=b$ consists  in partitioning the matrix $A$ in
85 $L$ several ways
86 \begin{equation}
87 A = M_l - N_l,~l\in\{1,\ldots,L\},
88 \label{eq01}
89 \end{equation}
90 where $M_l$ are nonsingular matrices. Then the linear system is solved
91 by iteration based on the multisplittings as follows
92 \begin{equation}
93 x^{k+1}=\displaystyle\sum^L_{l=1} E_l M^{-1}_l (N_l x^k + b),~k=1,2,3,\ldots
94 \label{eq02}
95 \end{equation}
96 where $E_l$ are non-negative and diagonal weighting matrices such that
97 $\sum^L_{l=1}E_l=I$ ($I$ is an identity matrix).  Thus the convergence
98 of such a method is dependent on the condition
99 \begin{equation}
100 \rho(\displaystyle\sum^L_{l=1}E_l M^{-1}_l N_l)<1.
101 \label{eq03}
102 \end{equation}
103
104 The advantage of  the multisplitting method is that  at each iteration
105 $k$ there are $L$ different linear sub-systems
106 \begin{equation}
107 v_l^k=M^{-1}_l N_l x_l^{k-1} + M^{-1}_l b,~l\in\{1,\ldots,L\},
108 \label{eq04}
109 \end{equation}
110 to be solved  independently by a direct or  an iterative method, where
111 $v_l^k$  is   the  solution  of   the  local  sub-system.   Thus,  the
112 calculations  of $v_l^k$  may be  performed in  parallel by  a  set of
113 processors.   A multisplitting  method using  an iterative  method for
114 solving the $L$ linear  sub-systems is called an inner-outer iterative
115 method or a  two-stage method.  The results $v_l^k$  obtained from the
116 different splittings~(\ref{eq04}) are combined to compute the solution
117 $x^k$ of the linear system by using the diagonal weighting matrices
118 \begin{equation}
119 x^k = \displaystyle\sum^L_{l=1} E_l v_l^k,
120 \label{eq05}
121 \end{equation}    
122 In the case where the diagonal weighting matrices $E_l$ have only zero
123 and   one   factors  (i.e.   $v_l^k$   are   disjoint  vectors),   the
124 multisplitting method is non-overlapping  and corresponds to the block
125 Jacobi method.
126 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
127 %% END
128 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
129
130 \section{Related works}
131
132
133 A general framework  for studying parallel multisplitting has  been presented in
134 \cite{o1985multi} by O'Leary and White. Convergence conditions are given for the
135 most general case.  Many authors improved multisplitting algorithms by proposing
136 for  example  an  asynchronous  version  \cite{bru1995parallel}  and  convergence
137 conditions  \cite{bai1999block,bahi2000asynchronous}   in  this  case   or  other
138 two-stage algorithms~\cite{frommer1992h,bru1995parallel}.
139
140 In  \cite{huang1993krylov},  the  authors  proposed  a  parallel  multisplitting
141 algorithm in which all the tasks except  one are devoted to solve a sub-block of
142 the splitting  and to send their  local solution to  the first task which  is in
143 charge to  combine the vectors at  each iteration.  These vectors  form a Krylov
144 basis for  which the first task minimizes  the error function over  the basis to
145 increase the convergence, then the other tasks receive the update solution until
146 convergence of the global system. 
147
148
149
150 In \cite{couturier2008gremlins}, the  authors proposed practical implementations
151 of multisplitting algorithms that take benefit from multisplitting algorithms to
152 solve large scale linear systems. Inner  solvers could be based on scalar direct
153 method with the LU method or scalar iterative one with GMRES.
154
155 In~\cite{prace-multi},  the  authors  have  proposed a  parallel  multisplitting
156 algorithm in which large block are solved using a GMRES solver. The authors have
157 performed large scale experimentations upto  32.768 cores and they conclude that
158 asynchronous  multisplitting algorithm  could more  efficient  than traditionnal
159 solvers on exascale architecture with hunders of thousands of cores.
160
161
162 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
163 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
164
165
166 \section{A two-stage method with a minimization}
167 Let $Ax=b$ be a given sparse  and large linear system of $n$ equations
168 to  solve  in  parallel   on  $L$  clusters,  physically  adjacent  or
169 geographically distant, where $A\in\mathbb{R}^{n\times n}$ is a square
170 and  nonsingular matrix, $x\in\mathbb{R}^{n}$  is the  solution vector
171 and   $b\in\mathbb{R}^{n}$  is   the  right-hand   side   vector.  The
172 multisplitting of this linear system is defined as follows:
173 \begin{equation}
174 \left\{
175 \begin{array}{lll}
176 A & = & [A_{1}, \ldots, A_{L}]\\
177 x & = & [X_{1}, \ldots, X_{L}]\\
178 b & = & [B_{1}, \ldots, B_{L}]
179 \end{array}
180 \right.
181 \label{sec03:eq01}
182 \end{equation}  
183 where for  $l\in\{1,\ldots,L\}$, $A_l$ is a rectangular  block of size
184 $n_l\times n$ and $X_l$ and  $B_l$ are sub-vectors of size $n_l$, such
185 that  $\sum_ln_l=n$.  In this  case,  we  use  a row-by-row  splitting
186 without overlapping in  such a way that successive  rows of the sparse
187 matrix $A$ and  both vectors $x$ and $b$ are  assigned to one cluster.
188 So,  the multisplitting  format of  the  linear system  is defined  as
189 follows:
190 \begin{equation}
191 \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, 
192 \label{sec03:eq02}
193 \end{equation} 
194 where $A_{li}$ is  a block of size $n_l\times  n_i$ of the rectangular
195 matrix  $A_l$, $X_i\neq  X_l$ is  a sub-vector  of size  $n_i$  of the
196 solution vector  $x$ and $\sum_{i<l}n_i+\sum_{i>l}n_i+n_l=n$,  for all
197 $i\in\{1,\ldots,l-1,l+1,\ldots,L\}$.
198
199 The multisplitting method proceeds by iteration for solving the linear
200 system in such a way each sub-system
201 \begin{equation}
202 \left\{
203 \begin{array}{l}
204 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
205 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{i=1,i\neq l}^{L}A_{li}X_i,
206 \end{array}
207 \right.
208 \label{sec03:eq03}
209 \end{equation}
210 is solved  independently by a cluster of  processors and communication
211 are required  to update the  right-hand side vectors $Y_l$,  such that
212 the  vectors  $X_i$  represent   the  data  dependencies  between  the
213 clusters. In this work,  we use the parallel GMRES method~\cite{ref34}
214 as     an     inner      iteration     method     to     solve     the
215 sub-systems~(\ref{sec03:eq03}).  It  is a well-known  iterative method
216 which  gives good performances  to solve  sparse linear  systems in
217 parallel on a cluster of processors.
218
219 It should be noted that  the convergence of the inner iterative solver
220 for  the  different  linear  sub-systems~(\ref{sec03:eq03})  does  not
221 necessarily involve  the convergence of the  multisplitting method. It
222 strongly depends on  the properties of the sparse  linear system to be
223 solved                 and                the                computing
224 environment~\cite{o1985multi,ref18}.  Furthermore,  the multisplitting
225 of the  linear system among  several clusters of  processors increases
226 the  spectral radius  of  the iteration  matrix,  thereby slowing  the
227 convergence.  In   this  paper,  we   based  on  the   work  presented
228 in~\cite{huang1993krylov} to increase  the convergence and improve the
229 scalability of the multisplitting methods.
230
231 In  order  to  accelerate  the  convergence, we  implement  the  outer
232 iteration  of the multisplitting  solver as  a Krylov  subspace method
233 which minimizes some error function over a Krylov subspace~\cite{S96}.
234 The Krylov  space of  the method that  we used  is spanned by  a basis
235 composed  of   successive  solutions  issued  from   solving  the  $L$
236 splittings~(\ref{sec03:eq03})
237 \begin{equation}
238 S=\{x^1,x^2,\ldots,x^s\},~s\leq n,
239 \label{sec03:eq04}
240 \end{equation}
241 where   for  $j\in\{1,\ldots,s\}$,  $x^j=[X_1^j,\ldots,X_L^j]$   is  a
242 solution of the  global linear system. The advantage  of such a Krylov
243 subspace   is  that   we  need   neither  an   orthogonal   basis  nor
244 synchronizations  between  the  different  clusters to  generate  this
245 basis.
246
247 The  multisplitting   method  is  periodically   restarted  every  $s$
248 iterations  with   a  new  initial   guess  $\tilde{x}=S\alpha$  which
249 minimizes  the error  function $\|b-Ax\|_2$  over the  Krylov subspace
250 spanned  by  the vectors  of  $S$.  So,  $\alpha$  is  defined as  the
251 solution of the large overdetermined linear system
252 \begin{equation}
253 R\alpha=b,
254 \label{sec03:eq05}
255 \end{equation}
256 where $R=AS$  is a  dense rectangular matrix  of size $n\times  s$ and
257 $s\ll n$. This leads us to solve the system of normal equations
258 \begin{equation}
259 R^TR\alpha=R^Tb,
260 \label{sec03:eq06}
261 \end{equation}
262 which is associated with the least squares problem
263 \begin{equation}
264 \text{minimize}~\|b-R\alpha\|_2,
265 \label{sec03:eq07}
266 \end{equation}  
267 where $R^T$ denotes the transpose  of the matrix $R$.  Since $R$ (i.e.
268 $AS$) and  $b$ are  split among $L$  clusters, the  symmetric positive
269 definite  system~(\ref{sec03:eq06}) is  solved in  parallel.  Thus, an
270 iterative method would be more  appropriate than a direct one to solve
271 this system.  We use  the parallel conjugate  gradient method  for the
272 normal equations CGNR~\cite{S96,refCGNR}.
273
274 \begin{algorithm}[!t]
275 \caption{A two-stage linear solver with inner iteration GMRES method}
276 \begin{algorithmic}[1]
277 \Input $A_l$ (local sparse matrix), $B_l$ (local right-hand side), $x^0$ (initial guess)
278 \Output $X_l$ (local solution vector)\vspace{0.2cm}
279 \State Load $A_l$, $B_l$, $x^0$
280 \State Initialize the minimizer $\tilde{x}^0=x^0$
281 \For {$k=1,2,3,\ldots$ until the global convergence}
282 \State Restart with $x^0=\tilde{x}^{k-1}$: \textbf{for} $j=1,2,\ldots,s$ \textbf{do}
283 \State\hspace{0.5cm} Inner iteration solver: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $j$}
284 \State\hspace{0.5cm} Construct the basis $S$: add the column vector $X_l^j$ to the matrix $S_l^k$
285 \State\hspace{0.5cm} Exchange the local solution vector $X_l^j$ with the neighboring clusters
286 \State\hspace{0.5cm} Compute the dense matrix $R$: $R_l^{k,j}=\sum^L_{i=1}A_{li}X_i^j$ 
287 \State\textbf{end for} 
288 \State Minimization $\|b-R\alpha\|_2$: \Call{UpdateMinimizer}{$S_l$, $R$, $b$, $k$}
289 \State Local solution of the linear system $Ax=b$: $X_l^k=\tilde{X}_l^k$
290 \State Exchange the local minimizer $\tilde{X}_l^k$ with the neighboring clusters
291 \EndFor
292
293 \Statex
294
295 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $j$}
296 \State Compute the local right-hand side: $Y_l = B_l - \sum^L_{i=1,i\neq l}A_{li}X_i^0$
297 \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
298 \State \Return $X_l^j$
299 \EndFunction
300
301 \Statex
302
303 \Function {UpdateMinimizer}{$S_l$, $R$, $b$, $k$}
304 \State Solving the normal equations $(R^k)^TR^k\alpha^k=(R^k)^Tb$ in parallel by $L$ clusters using the parallel CGNR method
305 \State Compute the local minimizer: $\tilde{X}_l^k=S_l^k\alpha^k$
306 \State \Return $\tilde{X}_l^k$
307 \EndFunction
308 \end{algorithmic}
309 \label{algo:01}
310 \end{algorithm}
311
312 The  main key points  of the  multisplitting method  to solve  a large
313 sparse  linear  system  are  given in  Algorithm~\ref{algo:01}.   This
314 algorithm is based on a two-stage method with a minimization using the
315 GMRES iterative method as an  inner solver. It is executed in parallel
316 by  each cluster  of processors.   The matrices  and vectors  with the
317 subscript  $l$ represent  the local  data for  the cluster  $l$, where
318 $l\in\{1,\ldots,L\}$. The two-stage solver uses two different parallel
319 iterative algorithms:  the GMRES method  to solve each splitting  on a
320 cluster of processors, and the CGNR method executed in parallel by all
321 clusters  to minimize  the  function error  over  the Krylov  subspace
322 spanned by  $S$.  The  algorithm requires two  global synchronizations
323 between the $L$  clusters. The first one is  performed at line~$12$ in
324 Algorithm~\ref{algo:01}  to exchange  the local  values of  the vector
325 solution $x$ (i.e. the  minimizer $\tilde{x}$) required to restart the
326 multisplitting  solver. The  second  one is  needed  to construct  the
327 matrix $R$ of  the Krylov subspace.  We choose  to perform this latter
328 synchronization $s$  times in every  outer iteration $k$  (line~$7$ in
329 Algorithm~\ref{algo:01}). This is a straightforward way to compute the
330 matrix-matrix    multiplication     $R=AS$.     We    implement    all
331 synchronizations   by   using   the   MPI   collective   communication
332 subroutines.
333
334
335 \section{Experiments}
336
337 In order  to illustrate  the interest  of our algorithm.   We have  compared our
338 algorithm  with  the  GMRES  method  which  a very  well  used  method  in  many
339 situations.  We have chosen to focus on only one problem which is very simple to
340 implement: a 3 dimension Poisson problem.
341
342 \begin{equation}
343 \left\{
344                 \begin{array}{ll}
345                   \nabla u&=f \mbox{~in~} \omega\\
346                   u &=0 \mbox{~on~}  \Gamma=\partial \omega
347                 \end{array}
348               \right.
349 \end{equation}
350
351 After discretization, with a finite  difference scheme, a seven point stencil is
352 used. It  is well-known that the  spectral radius of  matrices representing such
353 problems are very close to 1.  Moreover, the larger the number of discretization
354 points is,  the closer to 1  the spectral radius  is.  Hence, to solve  a matrix
355 obtained for  a 3D Poisson  problem, the number  of iterations is high.  Using a
356 preconditioner  it  is   possible  to  reduce  the  number   of  iterations  but
357 preconditioners are not scalable when using many cores.
358
359 Doing many experiments  with many cores is  not easy and require to  access to a
360 supercomputer  with several  hours for  developping  a code  and then  improving
361 it. In the following we presented  some experiments we could achieved out on the
362 Hector architecture,  the previous UK's  high-end computing resource,  funded by
363 the UK Research Councils, which has been stopped in the early 2014.
364
365 In the experiments  we report the size of the 3D  poisson considered
366
367
368 The first column  shows the size of the  problem The size is chosen  in order to
369 have approximately 50,000 components per core.  The second column represents the
370 number of  cores used. In parenthesis,  there is the decomposition  used for the
371 Krylov multisplitting. The  third column and the sixth  column respectively show
372 the execution time for the GMRES  and the Kyrlow multisplitting code. The fourth
373 and  the   seventh  column   describes  the  number   of  iterations.   For  the
374 multisplitting  code, the  total number  of inner  iterations is  represented in
375 parenthesis.
376
377  We  also give  the other parameters:  the restart  for the GRMES method....
378
379 \begin{table}[p]
380 \begin{center}
381 \begin{tabular}{|c|c||c|c|c||c|c|c||c|} 
382 \hline
383 \multirow{2}{*}{Pb size}&\multirow{2}{*}{Nb. cores} &  \multicolumn{3}{c||}{GMRES} &  \multicolumn{3}{c||}{Krylov Multisplitting} & \multirow{2}{*}{Ratio}\\
384  \cline{3-8}
385            &                   &  Time (s) & nb Iter. & $\Delta$  &   Time (s)& nb Iter. & $\Delta$ & \\
386 \hline
387
388 $590^3$ & 4096 (2x2048)        &  433.1    & 55,494    & 4.92e-7  &  74.1    & 1,101(8,211) & 6.62e-08  & 5.84   \\
389 \hline
390 $743^3$ & 8192 (2x4096)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  151.2   & 3,061(14,914) & 5.87e-08 & 4.65    \\
391 \hline
392 $743^3$ & 8192 (4x2048)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  110.3   & 1,531(12,721) & 1.47e-07& 6.39  \\
393 \hline
394
395 \end{tabular}
396 \caption{Results without preconditioner}
397 \label{tab1}
398 \end{center}
399 \end{table}
400
401
402 \begin{table}[p]
403 \begin{center}
404 \begin{tabular}{|c|c||c|c|c||c|c|c||c|} 
405 \hline
406 \multirow{2}{*}{Pb size}&\multirow{2}{*}{Nb. cores} &  \multicolumn{3}{c||}{GMRES} &  \multicolumn{3}{c||}{Krylov Multisplitting} & \multirow{2}{*}{Ratio}\\
407  \cline{3-8}
408            &                   &  Time (s) & nb Iter. & $\Delta$  &   Time (s)& nb Iter. & $\Delta$ & \\
409 \hline
410
411 $590^3$ & 4096 (2x2048)        &  433.0    & 55,494    & 4.92e-7  &  80.4    & 1,091(9,545) & 7.64e-08  & 5.39   \\
412 \hline
413 $743^3$ & 8192 (2x4096)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  110.2   & 1,401(12,379) & 1.11e-07 & 6.39    \\
414 \hline
415 $743^3$ & 8192 (4x2048)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  139.8   & 1,891(15,960) & 1.60e-07& 5.03  \\
416 \hline
417
418 \end{tabular}
419 \caption{Results with preconditioner}
420 \label{tab2}
421 \end{center}
422 \end{table}
423
424 \section{Conclusion and perspectives}
425
426 Other applications (=> other matrices)\\
427 Larger experiments\\
428 Async\\
429 Overlapping
430
431
432 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
433 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
434
435 \bibliographystyle{plain}
436 \bibliography{biblio}
437
438 \end{document}