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1 \documentclass{article}
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15
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19
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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  with  up   to  8,192  cores.   They  show  the  obtained
47 improvements compared to a classical GMRES both in terms of number of iterations
48 and execution times.
49 \end{abstract}
50
51 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
52 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
53
54 \section{Introduction}
55 Iterative methods are used to solve  large sparse linear systems of equations of
56 the form  $Ax=b$ because they are  easier to parallelize than  direct ones. Many
57 iterative  methods have  been proposed  and  adapted by  many researchers.   For
58 example, the GMRES method and the  Conjugate Gradient method are very well known
59 and  used by  many researchers~\cite{S96}. Both methods  are based  on the
60 Krylov subspace which consists in forming  a basis of a sequence of successive
61 matrix powers times the initial residual.
62
63 When  solving large  linear systems  with  many cores,  iterative methods  often
64 suffer  from scalability problems.   This is  due to  their need  for collective
65 communications  to  perform  matrix-vector  products and  reduction  operations.
66 Preconditioners can be  used in order to increase  the convergence of iterative
67 solvers.   However, most  of the  good preconditioners  are not  scalable when
68 thousands of cores are used.
69
70 Traditional iterative  solvers have  global synchronizations that  penalize the
71 scalability.   Two  possible solutions  consists  either  in using  asynchronous
72 iterative  methods~\cite{ref18} or  to  use multisplitting  algorithms. In  this
73 paper, we will  reconsider the use of a multisplitting  method. In opposition to
74 traditional  multisplitting  method  that  suffer  from  slow  convergence,  as
75 proposed  in~\cite{huang1993krylov},  the  use  of a  minimization  process  can
76 drastically improve the convergence.
77
78
79 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
80 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
81
82 \section{Related works and presention of the multisplitting method}
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 solutions 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 to solve  large scale linear systems. Inner solvers
100 could be  based on scalar direct method  with the LU method  or scalar iterative
101 one with GMRES.
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 an exascale architecture with hundreds of thousands of cores.
108
109 So compared to these works, we propose in this paper a practical multisplitting method based on parallel iterative blocks and gives better results than classical GMRES method for the 3D Poisson problem we considered.
110 \\
111
112 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 
113 \begin{equation}
114 A = M_\ell - N_\ell,
115 \label{eq01}
116 \end{equation}
117 where for all $\ell\in\{1,\ldots,L\}$ $M_\ell$ are non-singular matrices. Then the linear system is solved by iteration based on the obtained splittings as follows
118 \begin{equation}
119 x^{k+1}=\displaystyle\sum^L_{\ell=1} E_\ell M^{-1}_\ell (N_\ell x^k + b),~k=1,2,3,\ldots
120 \label{eq02}
121 \end{equation}
122 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
123 \begin{equation}
124 \rho(\displaystyle\sum^L_{\ell=1}E_\ell M^{-1}_\ell N_\ell)<1.
125 \label{eq03}
126 \end{equation}
127 where $\rho$ is the spectral radius of the square matrix.
128
129 The advantage of the multisplitting method is that at each iteration $k$ there are $L$ different linear sub-systems
130 \begin{equation}
131 v_\ell^k=M^{-1}_\ell N_\ell x_\ell^{k-1} + M^{-1}_\ell b,~\ell\in\{1,\ldots,L\},
132 \label{eq04}
133 \end{equation}
134 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
135 \begin{equation}
136 x^k = \displaystyle\sum^L_{\ell=1} E_\ell v_\ell^k,
137 \label{eq05}
138 \end{equation}    
139 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.
140
141 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
142 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
143
144 \section{A two-stage method with a minimization}
145 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
146 \begin{equation}
147 \left\{
148 \begin{array}{lll}
149 A & = & [A_{1}, \ldots, A_{L}]\\
150 x & = & [X_{1}, \ldots, X_{L}]\\
151 b & = & [B_{1}, \ldots, B_{L}]
152 \end{array}
153 \right.
154 \label{sec03:eq01}
155 \end{equation}  
156 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 $\sum_\ell n_\ell=n$. 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
157 \begin{equation}
158 \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, 
159 \label{sec03:eq02}
160 \end{equation} 
161 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 $m\in\{1,\ldots,L\}$.
162
163 Our multisplitting method proceeds by iteration to solve the linear system in such a way that each sub-system
164 \begin{equation}
165 \left\{
166 \begin{array}{l}
167 A_{\ell \ell}X_\ell = Y_\ell \mbox{,~such that}\\
168 Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m,
169 \end{array}
170 \right.
171 \label{sec03:eq03}
172 \end{equation}
173 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. %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.  
174
175 It should  be noted that the convergence  of the inner iterative  solver for the
176 different  sub-systems~(\ref{sec03:eq03})  does   not  necessarily  involve  the
177 convergence of the multisplitting method.  It strongly depends on the properties
178 of       the       global      sparse       linear       system      to       be
179 solved~\cite{o1985multi,ref18}. Furthermore, the  splitting of the linear system
180 among  several clusters  of  processors  increases the  spectral  radius of  the
181 iteration  matrix, thereby  slowing the  convergence.  In  fact, the  larger the
182 number of  splitting is, the larger the  spectral radius is.  In  this paper, we
183 based  on   the  work   presented  in~\cite{huang1993krylov}  to   increase  the
184 convergence and improve the scalability of the multisplitting methods.
185
186 In order to accelerate the convergence, we implemented the outer iteration of the 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})
187 \begin{equation}
188 S=\{x^1,x^2,\ldots,x^s\},~s\leq n,
189 \label{sec03:eq04}
190 \end{equation}
191 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.
192
193 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
194 \begin{equation}
195 R\alpha=b,
196 \label{sec03:eq05}
197 \end{equation}
198 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
199 \begin{equation}
200 R^TR\alpha=R^Tb,
201 \label{sec03:eq06}
202 \end{equation}
203 which is associated with the least squares problem
204 \begin{equation}
205 \text{minimize}~\|b-R\alpha\|_2,
206 \label{sec03:eq07}
207 \end{equation}  
208 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}.
209
210 \begin{algorithm}[!t]
211 \caption{A two-stage linear solver with inner iteration GMRES method}
212 \begin{algorithmic}[1]
213 \Input $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
214 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
215 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
216 \State Set the initial guess $x^0$
217 \State Set the minimizer $\tilde{x}^0=x^0$
218 \For {$k=1,2,3,\ldots$ until the global convergence}
219 \State Restart with $x^0=\tilde{x}^{k-1}$:
220 \For {$j=1,2,\ldots,s$}
221 \State \label{line7}Inner iteration solver: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $j$}
222 \State Construct basis $S$: add column vector $X_\ell^j$ to the matrix $S_\ell^k$
223 \State Exchange local values of $X_\ell^j$ with the neighboring clusters
224 \State Compute dense matrix $R$: $R_\ell^{k,j}=\sum^L_{i=1}A_{\ell i}X_i^j$ 
225 \EndFor 
226 \State \label{line12}Minimization $\|b-R\alpha\|_2$: \Call{UpdateMinimizer}{$S_\ell$, $R$, $b$, $k$}
227 \State Local solution of linear system $Ax=b$: $X_\ell^k=\tilde{X}_\ell^k$
228 \State Exchange the local minimizer $\tilde{X}_\ell^k$ with the neighboring clusters
229 \EndFor
230
231 \Statex
232
233 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $j$}
234 \State Compute local right-hand side $Y_\ell = B_\ell - \sum^L_{\substack{m=1\\m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0$
235 \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
236 \State \Return $X_\ell^j$
237 \EndFunction
238
239 \Statex
240
241 \Function {UpdateMinimizer}{$S_\ell$, $R$, $b$, $k$}
242 \State Solving normal equations $(R^k)^TR^k\alpha^k=(R^k)^Tb$ in parallel by $L$ clusters using parallel CGNR method
243 \State Compute local minimizer $\tilde{X}_\ell^k=S_\ell^k\alpha^k$
244 \State \Return $\tilde{X}_\ell^k$
245 \EndFunction
246 \end{algorithmic}
247 \label{algo:01}
248 \end{algorithm}
249
250 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: 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~\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.
251
252 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
253 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
254
255 \section{Experiments}
256 In order to illustrate  the interest  of our algorithm. We have  compared our
257 algorithm  with  the  GMRES  method  which  is a very  well  used  method  in  many
258 situations.  We have chosen to focus on only one problem which is very simple to
259 implement: a 3 dimension Poisson problem.
260
261 \begin{equation}
262 \left\{
263                 \begin{array}{ll}
264                   \nabla u&=f \mbox{~in~} \omega\\
265                   u &=0 \mbox{~on~}  \Gamma=\partial \omega
266                 \end{array}
267               \right.
268 \end{equation}
269
270 After discretization, with a finite  difference scheme, a seven point stencil is
271 used. It  is well-known that the  spectral radius of  matrices representing such
272 problems are very close to 1.  Moreover, the larger the number of discretization
273 points is,  the closer to 1  the spectral radius  is.  Hence, to solve  a matrix
274 obtained for  a 3D Poisson  problem, the number  of iterations is high.  Using a
275 preconditioner  it  is   possible  to  reduce  the  number   of  iterations  but
276 preconditioners are not scalable when using many cores.
277
278 %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. 
279 In the following we present  some experiments we could achieved out on the
280 Hector architecture,  the previous UK's  high-end computing resource,  funded by
281 the UK Research Councils, which has been stopped in the early 2014.
282
283 Table~\ref{tab1} shows  the result of  the experiments.  The first  column shows
284 the  size of  the  3D Poisson  problem.  The size  is chosen  in  order to  have
285 approximately  50,000 components  per core.   The second  column  represents the
286 number of  cores used. In parenthesis,  there is the decomposition  used for the
287 Krylov multisplitting. The  third column and the sixth  column respectively show
288 the execution time for the GMRES  and the Krylov multisplitting codes. The fourth
289 and  the   seventh  column  describes   the  number  of  iterations.    For  the
290 multisplitting  code, the  total number  of inner  iterations is  represented in
291 parenthesis. For  the GMRES code (alone  and in the  multisplitting version) the
292 restart parameter is fixed to 16. The precision of the GMRES version is fixed to
293 1e-6. For  the multisplitting,  there are two  precisions, one for  the external
294 solver which is fixed to 1e-6 and another one for the inner solver (GMRES) which
295 is fixed to 1e-10. It should be noted  that a high precision is used but we also
296 fixed  a maximum number of  iterations for each  internal step. In  practice, we
297 limit the  number of iterations in the internal step to  10. So an internal  iteration is finished
298 when the precision is reached or  when the maximum internal number of iterations
299 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.
300
301 \begin{table}[htbp]
302 \begin{center}
303 \begin{tabular}{|c|c||c|c|c||c|c|c||c|} 
304 \hline
305 \multirow{2}{*}{Pb size}&\multirow{2}{*}{Nb. cores} &  \multicolumn{3}{c||}{GMRES} &  \multicolumn{3}{c||}{Krylov Multisplitting} & \multirow{2}{*}{Ratio}\\
306  \cline{3-8}
307            &                   &  Time (s) & nb Iter. & $\Delta$  &   Time (s)& nb Iter. & $\Delta$ & \\
308 \hline
309 $468^3$ & 2048 (2x1024)        &  299.7    & 41,028    & 5.02e-8  &  48.4    & 691(6,146) & 8.24e-08  & 6.19   \\
310 \hline
311 $590^3$ & 4096 (2x2048)        &  433.1    & 55,494    & 4.92e-7  &  74.1    & 1,101(8,211) & 6.62e-08  & 5.84   \\
312 \hline
313 $743^3$ & 8192 (2x4096)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  151.2   & 3,061(14,914) & 5.87e-08 & 4.65    \\
314 \hline
315 $743^3$ & 8192 (4x2048)        & 704.4     & 87,822    & 4.80e-07 &  110.3   & 1,531(12,721) & 1.47e-07& 6.39  \\
316 \hline
317
318 \end{tabular}
319 \caption{Results}
320 \label{tab1}
321 \end{center}
322 \end{table}
323
324
325 From these  experiments, it can be  observed that the  multisplitting version is
326 always  faster   than  the  GMRES   version.   The  acceleration  gain   of  the
327 multisplitting version is between 4 and 6.  It can be noticed that the number of
328 iterations is drastically reduced with  the multisplitting version even it is not
329 neglectable.
330
331 \section{Conclusion and perspectives}
332 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 virtual multi-cluster environment based on processors of the 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.
333
334 We have tested our multisplitting method to solve the sparse linear system issued from the discretization of a 3D Poisson problem. We have compared its performances to the classical 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 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.
335
336 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 to solve 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 of our method by using preconditioning techniques for Krylov iterative methods and multisplitting methods with overlapping blocks.    
337
338
339 %Other applications (=> other matrices)\\
340 %Larger experiments\\
341 %Async\\
342 %Overlapping\\
343 %preconditioning
344
345
346 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
347 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
348
349 \bibliographystyle{plain}
350 \bibliography{biblio}
351
352 \end{document}