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[hpcc2014.git] / hpcc.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
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13 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
14 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
15 %\usepackage{hyperref}
16
17 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
18 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
19
20 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
21 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
22
23
24 \begin{document}
25
26 \title{Simulation of Asynchronous Iterative Numerical Algorithms Using SimGrid}
27
28 \author{\IEEEauthorblockN{Raphaël Couturier and Arnaud Giersch and David Laiymani and Charles Emile Ramamonjisoa}
29 \IEEEauthorblockA{Femto-ST Institute - DISC Department\\
30 Université de Franche-Comté\\
31 Belfort\\
32 Email: raphael.couturier@univ-fcomte.fr}
33 }
34
35 \maketitle
36
37 \begin{abstract}
38 The abstract goes here.
39 \end{abstract}
40
41 \section{Introduction}
42
43 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming 
44 more and more imperative for solving various problems raised by 
45 researchers on various scientific disciplines but also by industrial in 
46 the field. Indeed, the increasing complexity of these requested 
47 applications combined with a continuous increase of their sizes lead to 
48 write distributed and parallel algorithms requiring significant hardware 
49 resources ( grid computing , clusters, broadband network ,etc... ) but 
50 also a non- negligible CPU execution time. We consider in this paper a 
51 class of highly efficient parallel algorithms called iterative executed 
52 in a distributed environment. As their name suggests, these algorithm 
53 solves a given problem that might be NP- complete complex by successive 
54 iterations (X$_{n +1 }$= f (X$_{n}$) ) from an initial value X
55 $_{0}$ to find an approximate value X* of the solution with a very low 
56 residual error. Several well-known methods demonstrate the convergence 
57 of these algorithms. Generally, to reduce the complexity and the 
58 execution time, the problem is divided into several "pieces" that will 
59 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will 
60 communicate each intermediate results before a new iteration starts 
61 until the approximate solution is reached. These distributed parallel 
62 computations can be performed either in "synchronous" communication mode 
63 where a new iteration begin only when all nodes communications are 
64 completed, either "asynchronous" mode where processors can continue 
65 independently without or few synchronization points. Despite the 
66 effectiveness of iterative approach, a major drawback of the method is 
67 the requirement of huge resources in terms of computing capacity, 
68 storage and high speed communication network. Indeed, limited physical 
69 resources are blocking factors for large-scale deployment of parallel 
70 algorithms. 
71
72 In recent years, the use of a simulation environment to execute parallel 
73 iterative algorithms found some interests in reducing the highly cost of 
74 access to computing resources: (1) for the applications development life 
75 cycle and in code debugging (2) and in production to get results in a 
76 reasonable execution time with a simulated infrastructure not accessible 
77 with physical resources. Indeed, the launch of distributed iterative 
78 asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale 
79 simulated environment challenges to find optimal configurations giving 
80 the best results with a lowest residual error and in the best of 
81 execution time. According our knowledge, no testing of large-scale 
82 simulation of the class of algorithm solving to achieve real results has 
83 been undertaken to date. We had in the scope of this work implemented a 
84 program for solving large non-symmetric linear system of equations by 
85 numerical method GMRES (Generalized Minimal Residual ) in the simulation 
86 environment Simgrid . The simulated platform had allowed us to launch 
87 the application from a modest computing infrastructure by simulating 
88 different distributed architectures composed by clusters nodes 
89 interconnected by variable speed networks. In addition, it has been 
90 permitted to show the effectiveness of asynchronous mode algorithm by 
91 comparing its performance with the synchronous mode time. With selected 
92 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster 
93 network) and on the clusters architecture (number, capacity calculation 
94 power) in the simulated environment , the experimental results have 
95 demonstrated not only the algorithm convergence within a reasonable time 
96 compared with the physical environment performance, but also a time 
97 saving of up to 40 \% in asynchronous mode.
98
99 This article is structured as follows: after this introduction, the next 
100 section will give a brief description of iterative asynchronous model. 
101 Then, the simulation framework SIMGRID will be presented with the 
102 settings to create various distributed architectures. The algorithm of 
103 the multi -splitting method used by GMRES written with MPI primitives 
104 and its adaptation to Simgrid with SMPI (Simulation MPI ) will be in the 
105 next section . At last, the experiments results carried out will be 
106 presented before the conclusion which we will announce the opening of 
107 our future work after the results.
108  
109 \section{The asynchronous iteration model}
110
111 Décrire le modèle asynchrone. Je m'en charge (DL)
112
113 \section{SimGrid}
114
115 Décrire SimGrid (Arnaud)
116
117
118
119
120
121
122
123 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
124 \section{Simulation of the multisplitting method}
125 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
126 Let $Ax=b$ be a large sparse system of $n$ linear equations in $\mathbb{R}$, where $A$ is a sparse square and nonsingular matrix, $x$ is the solution vector and $y$ is the right-hand side vector. We use a multisplitting method based on the block Jacobi partitioning to solve this linear system on a large scale platform composed of $L$ clusters of processors. In this case, we apply a row-by-row splitting without overlapping  
127 \[
128 \left(\begin{array}{ccc}
129 A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
130 \vdots & \ddots & \vdots\\
131 A_{L1} & \cdots & A_{LL}
132 \end{array} \right)
133 \times 
134 \left(\begin{array}{c}
135 X_1 \\
136 \vdots\\
137 X_L
138 \end{array} \right)
139 =
140 \left(\begin{array}{c}
141 Y_1 \\
142 \vdots\\
143 Y_L
144 \end{array} \right)\] 
145 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$ are assigned to one cluster, where for all $l,i\in\{1,\ldots,L\}$ $A_{li}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_l\times n_i$, $X_l$ and $Y_l$ are sub-vectors of $x$ and $y$, respectively, each of size $n_l$ and $\sum_{l} n_l=\sum_{i} n_i=n$.
146
147 The multisplitting method proceeds by iteration to solve in parallel the linear system by $L$ clusters of processors, in such a way each sub-system
148 \begin{equation}
149 \left\{
150 \begin{array}{l}
151 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
152 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{i=1,i\neq l}^{L}A_{li}X_i,
153 \end{array}
154 \right.
155 \label{eq:4.1}
156 \end{equation}
157 is solved independently by a cluster and communication are required to update the right-hand side sub-vectors $Y_l$, such that the sub-vectors $X_i$ represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we use the parallel GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most used iterative method by many researchers. 
158
159 \begin{algorithm}
160 \caption{A multisplitting solver with inner iteration GMRES method}
161 \begin{algorithmic}[1]
162 \Input $A_l$ (local sparse matrix), $B_l$ (local right-hand side), $x^0$ (initial guess)
163 \Output $X_l$ (local solution vector)\vspace{0.2cm}
164 \State Load $A_l$, $B_l$, $x^0$
165 \State Initialize the shared vector $\hat{x}=x^0$
166 \For {$k=1,2,3,\ldots$ until the global convergence}
167 \State $x^0=\hat{x}$
168 \State Inner iteration solver: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k$}
169 \State Exchange the local solution ${X}_l^k$ with the neighboring clusters and copy the shared vector elements in $\hat{x}$
170 \EndFor
171
172 \Statex
173
174 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
175 \State Compute the local right-hand side: $Y_l = B_l - \sum^L_{i=1,i\neq l}A_{li}X_i^0$
176 \State Solving the local splitting $A_{ll}X_l^k=Y_l$ using the parallel GMRES method, such that $X_l^0$ is the local initial guess
177 \State \Return $X_l^k$
178 \EndFunction
179 \end{algorithmic}
180 \label{algo:01}
181 \end{algorithm}
182 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
183
184
185
186
187
188
189
190
191 \section{Experimental results}
192
193 When the ``real'' application runs in the simulation environment and produces
194 the expected results, varying the input parameters and the program arguments
195 allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
196 study that the results depend on the following parameters: (1) at the network
197 level, we found that the most critical values are the bandwidth (bw) and the
198 network latency (lat). (2) Hosts power (GFlops) can also influence on the
199 results. And finally, (3) when submitting job batches for execution, the
200 arguments values passed to the program like the maximum number of iterations or
201 the ``external'' precision are critical to ensure not only the convergence of the
202 algorithm but also to get the main objective of the experimentation of the
203 simulation in having an execution time in asynchronous less than in synchronous
204 mode, in others words, in having a ``speedup'' less than 1 (Speedup = Execution
205 time in synchronous mode / Execution time in asynchronous mode).
206
207 A priori, obtaining a speedup less than 1 would be difficult in a local area
208 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the rapid
209 exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology adopted
210 was to launch the application on clustered network. In this last configuration,
211 degrading the inter-cluster network performance will "penalize" the synchronous
212 mode allowing to get a speedup lower than 1. This action simulates the case of
213 clusters linked with long distance network like Internet.
214
215 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
216 containing fifty hosts each, totaling one hundred hosts. Various combinations of
217 the above factors have providing the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a matrix size
218 ranging from Nx = Ny = Nz = 62 to 171 elements or from 62$^{3}$ = 238328 to
219 171$^{3}$ = 5,211,000 entries.
220
221 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
222 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
223 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
224 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the speedups less than 1 with
225 a matrix size from 62 to 100 elements.
226
227 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
228 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
229
230 Note that the program was run with the following parameters:
231
232 \paragraph*{SMPI parameters}
233
234 \begin{itemize}
235         \item HOSTFILE : Hosts file description.
236         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
237 ... ) , intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw ,
238 lat latency , ... ).
239 \end{itemize}
240
241
242 \paragraph*{Arguments of the program}
243
244 \begin{itemize}
245         \item Description of the cluster architecture;
246         \item Maximum number of internal and external iterations;
247         \item Internal and external precisions;
248         \item Matrix size NX , NY and NZ;
249         \item Matrix diagonal value = 6.0;
250         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
251 \end{itemize}
252
253 \begin{table}
254   \centering
255   \caption{2 clusters X 50 nodes}
256   \label{tab.cluster.2x50}
257   \includegraphics[width=209pt]{img1.jpg}
258 \end{table}
259
260 \begin{table}
261   \centering
262   \caption{3 clusters X 33 nodes}
263   \label{tab.cluster.3x33}
264   \includegraphics[width=209pt]{img2.jpg}
265 \end{table}
266
267 \begin{table}
268   \centering
269   \caption{3 clusters X 67 nodes}
270   \label{tab.cluster.3x67}
271 %  \includegraphics[width=160pt]{img3.jpg}
272   \includegraphics[scale=0.5]{img3.jpg}
273 \end{table}
274
275 \paragraph*{Interpretations and comments}
276
277 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
278 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50} and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the
279 used parameters affecting the results have given a speedup less than 1, showing
280 the effectiveness of the asynchronous performance compared to the synchronous
281 mode.
282
283 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows that with a
284 deterioration of inter cluster network set with 5 Mbits/s of bandwidth, a latency
285 in order of a hundredth of a millisecond and a system power of one GFlops, an
286 efficiency of about 40\% in asynchronous mode is obtained for a matrix size of 62
287 elements . It is noticed that the result remains stable even if we vary the
288 external precision from E -05 to E-09. By increasing the problem size up to 100
289 elements, it was necessary to increase the CPU power of 50 \% to 1.5 GFlops for a
290 convergence of the algorithm with the same order of asynchronous mode efficiency.
291 Maintaining such a system power but this time, increasing network throughput
292 inter cluster up to 50 Mbits /s, the result of efficiency of about 40\% is
293 obtained with high external  precision of E-11 for a matrix size from 110 to 150
294 side elements .
295
296 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts, Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows
297 that it was difficult to have a combination which gives an efficiency of
298 asynchronous below 80 \%. Indeed, for a matrix size of 62 elements, equality
299 between the performance of the two modes (synchronous and asynchronous) is
300 achieved with an inter cluster of 10 Mbits/s and a latency of E- 01 ms. To
301 challenge an efficiency by 78\% with a matrix size of 100 points, it was
302 necessary to degrade the inter cluster network bandwidth from 5 to 2 Mbit/s.
303
304 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more power
305 with 200 nodes in total. The convergence with a speedup of 90 \% was obtained
306 with a bandwidth of 1 Mbits/s as shown in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
307
308 \section{Conclusion}
309
310 \section*{Acknowledgment}
311
312
313 The authors would like to thank...
314
315
316 % trigger a \newpage just before the given reference
317 % number - used to balance the columns on the last page
318 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
319 % the document is modified later
320 \bibliographystyle{IEEEtran}
321 \bibliography{hpccBib}
322
323 \end{document}
324
325 %%% Local Variables:
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