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Mise a jour de la partie experimentation
[hpcc2014.git] / hpcc.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
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11 \usepackage[american]{babel}
12 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
13 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
14 %\usepackage{hyperref}
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17 \DeclareUrlCommand\email{\urlstyle{same}}
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19 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
20 \AtBeginDocument{%
21   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
22   \npthousandthpartsep{}}
23
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26 \newcommand{\AG}[2][inline]{%
27   \todo[color=green!50,#1]{\sffamily\textbf{AG:} #2}\xspace}
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36
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39
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42
43 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
44 \newcommand{\Time}[1]{\mathit{Time}_\mathit{#1}}
45
46 \begin{document}
47
48 \title{Simulation of Asynchronous Iterative Numerical Algorithms Using SimGrid}
49
50 \author{%
51   \IEEEauthorblockN{%
52     Charles Emile Ramamonjisoa\IEEEauthorrefmark{1},
53     David Laiymani\IEEEauthorrefmark{1},
54     Arnaud Giersch\IEEEauthorrefmark{1},
55     Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2} and
56     Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}
57   }
58   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}%
59     Femto-ST Institute -- DISC Department\\
60     Université de Franche-Comté,
61     IUT de Belfort-Montbéliard\\
62     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
63     Email: \email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}
64   }
65   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}%
66     Inria Bordeaux Sud-Ouest\\
67     200 avenue de la Vieille Tour, 33405 Talence cedex, France \\
68     Email: \email{lilia.ziane@inria.fr}
69   }
70 }
71
72 \maketitle
73
74 \RC{Ordre des auteurs pas définitif.}
75 \begin{abstract}
76 \AG{L'abstract est AMHA incompréhensible et ne donne pas envie de lire la suite.}
77 In recent years, the scalability of large-scale implementation in a 
78 distributed environment of algorithms becoming more and more complex has 
79 always been hampered by the limits of physical computing resources 
80 capacity. One solution is to run the program in a virtual environment 
81 simulating a real interconnected computers architecture. The results are 
82 convincing and useful solutions are obtained with far fewer resources 
83 than in a real platform. However, challenges remain for the convergence 
84 and efficiency of a class of algorithms that concern us here, namely 
85 numerical parallel iterative algorithms executed in asynchronous mode, 
86 especially in a large scale level. Actually, such algorithm requires a 
87 balance and a compromise between computation and communication time 
88 during the execution. Two important factors determine the success of the 
89 experimentation: the convergence of the iterative algorithm on a large 
90 scale and the execution time reduction in asynchronous mode. Once again, 
91 from the current work, a simulated environment like SimGrid provides
92 accurate results which are difficult or even impossible to obtain in a 
93 physical platform by exploiting the flexibility of the simulator on the 
94 computing units clusters and the network structure design. Our 
95 experimental outputs showed a saving of up to \np[\%]{40} for the algorithm
96 execution time in asynchronous mode compared to the synchronous one with 
97 a residual precision up to \np{E-11}. Such successful results open
98 perspectives on experimentations for running the algorithm on a 
99 simulated large scale growing environment and with larger problem size. 
100
101 \LZK{Long\ldots}
102
103 % no keywords for IEEE conferences
104 % Keywords: Algorithm distributed iterative asynchronous simulation SimGrid
105 \end{abstract}
106
107 \section{Introduction}
108
109 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming  more and more imperative for solving various
110 problems raised by  researchers on various scientific disciplines but also by industrial in  the field. Indeed, the
111 increasing complexity of these requested  applications combined with a continuous increase of their sizes lead to  write
112 distributed and parallel algorithms requiring significant hardware  resources (grid computing, clusters, broadband
113 network, etc.) but also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a class of highly efficient
114 parallel algorithms called \emph{numerical iterative algorithms} executed in a distributed environment. As their name
115 suggests, these algorithms solve a given problem by successive iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value
116 $X_{0}$ to find an approximate value $X^*$ of the solution with a very low residual error. Several well-known methods
117 demonstrate the convergence of these algorithms~\cite{BT89,Bahi07}.
118
119 Parallelization of such algorithms generally involve the division of the problem into several \emph{blocks} that will
120 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will communicate each intermediate results before a new
121 iteration starts and until the approximate solution is reached. These parallel  computations can be performed either in
122 \emph{synchronous} mode where a new iteration begins only when all nodes communications are completed,
123 or in \emph{asynchronous} mode where processors can continue independently with few or no synchronization points. For
124 instance in the \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model~\cite{bcvc06:ij}, local
125 computations do not need to wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present
126 at that time. Even if the number of iterations required before the convergence is generally greater than for the
127 synchronous case, AIAC algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to
128 synchronizations especially in a grid computing context (see~\cite{Bahi07} for more details).
129
130 Parallel numerical applications (synchronous or asynchronous) may have different
131 configuration and deployment requirements.  Quantifying their resource
132 allocation policies and application scheduling algorithms in grid computing
133 environments under varying load, CPU power and network speeds is very costly,
134 very labor intensive and very time
135 consuming~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.  The case of AIAC
136 algorithms is even more problematic since they are very sensible to the
137 execution environment context. For instance, variations in the network bandwidth
138 (intra and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number
139 of clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to
140 very different execution times. Then, it appears that the use of simulation
141 tools to explore various platform scenarios and to run large numbers of
142 experiments quickly can be very promising. In this way, the use of a simulation
143 environment to execute parallel iterative algorithms found some interests in
144 reducing the highly cost of access to computing resources: (1) for the
145 applications development life cycle and in code debugging (2) and in production
146 to get results in a reasonable execution time with a simulated infrastructure
147 not accessible with physical resources. Indeed, the launch of distributed
148 iterative asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale
149 simulated environment challenges to find optimal configurations giving the best
150 results with a lowest residual error and in the best of execution time.
151
152 To our knowledge, there is no existing work on the large-scale simulation of a
153 real AIAC application. The aim of this paper is twofold. First we give a first
154 approach of the simulation of AIAC algorithms using a simulation tool (i.e. the
155 SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}). Second, we confirm the effectiveness of
156 asynchronous mode algorithms by comparing their performance with the synchronous
157 mode. More precisely, we had implemented a program for solving large
158 linear system of equations by numerical method GMRES (Generalized
159 Minimal Residual) \cite{ref1}. We show, that with minor modifications of the
160 initial MPI code, the SimGrid toolkit allows us to perform a test campaign of a
161 real AIAC application on different computing architectures. The simulated
162 results we obtained are in line with real results exposed in ??\AG[]{ref?}.
163 SimGrid had allowed us to launch the application from a modest computing
164 infrastructure by simulating different distributed architectures composed by
165 clusters nodes interconnected by variable speed networks. In the simulated environment, after setting appropriate 
166 network and cluster parameters like the network bandwidth, latency or the processors power, 
167 the experimental results have demonstrated a asynchronous execution time saving up to \np[\%]{40} in
168 compared to the synchronous mode.
169 \AG{Il faudrait revoir la phrase précédente (couper en deux?).  Là, on peut
170   avoir l'impression que le gain de \np[\%]{40} est entre une exécution réelle
171   et une exécution simulée!}
172 \CER{La phrase a été modifiée}
173
174 This article is structured as follows: after this introduction, the next  section will give a brief description of
175 iterative asynchronous model.  Then, the simulation framework SimGrid is presented with the settings to create various
176 distributed architectures. The algorithm of  the multisplitting method based on GMRES \LZK{??? GMRES n'utilise pas la méthode de multisplitting! Sinon ne doit on pas expliquer le choix d'une méthode de multisplitting?} \CER{La phrase a été corrigée} written with MPI primitives and
177 its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) is detailed in the next section. At last, the experiments results
178 carried out will be presented before some concluding remarks and future works.
179  
180 \section{Motivations and scientific context}
181
182 As exposed in the introduction, parallel iterative methods are now widely used in many scientific domains. They can be
183 classified in three main classes depending on how iterations and communications are managed (for more details readers
184 can refer to~\cite{bcvc06:ij}). In the \textit{Synchronous Iterations~-- Synchronous Communications (SISC)} model data
185 are exchanged at the end of each iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
186 important idle times on processors are generated. The \textit{Synchronous Iterations~-- Asynchronous Communications
187 (SIAC)} model can be compared to the previous one except that data required on another processor are sent asynchronously
188 i.e.  without stopping current computations. This technique allows to partially overlap communications by computations
189 but unfortunately, the overlapping is only partial and important idle times remain.  It is clear that, in a grid
190 computing context, where the number of computational nodes is large, heterogeneous and widely distributed, the idle
191 times generated by synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use the
192 \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model. Here, local computations do not need to
193 wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present at that time. Figure~\ref{fig:aiac}
194 illustrates this model where the gray blocks represent the computation phases, the white spaces the idle
195 times and the arrows the communications.
196 \AG{There are no ``white spaces'' on the figure.}
197 With this algorithmic model, the number of iterations required before the
198 convergence is generally greater than for the two former classes. But, and as detailed in~\cite{bcvc06:ij}, AIAC
199 algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to synchronizations especially
200 in a grid computing context.\LZK{Répétition par rapport à l'intro}
201
202 \begin{figure}[!t]
203   \centering
204     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
205   \caption{The Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications model}
206   \label{fig:aiac}
207 \end{figure}
208
209
210 It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
211 heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
212 engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
213 these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
214 novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
215 the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
216 large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
217 context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
218 scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
219 promising. Several works\dots{}
220
221 \AG{Several works\dots{} what?\\
222   Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
223 In the context of AIAC algorithms, the use of simulation tools is even more
224 relevant. Indeed, this class of applications is very sensible to the execution
225 environment context. For instance, variations in the network bandwidth (intra
226 and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number of
227 clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to very
228 different execution times.
229
230
231
232
233 \section{SimGrid}
234
235 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
236 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
237 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
238 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
239 date from 1999, but it's still actively developed and distributed as an open
240 source software.  Today, it's one of the major generic tools in the field of
241 simulation for large-scale distributed systems.
242
243 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
244 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
245 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
246 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
247 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work exposed in
248 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
249 standard~\cite{bedaride:hal-00919507}, and supports applications written in C or
250 Fortran, with little or no modifications.
251
252 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated on a
253 single machine.  The application code is really executed, but some operations
254 like the communications are intercepted, and their running time is computed
255 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
256 description of this target platform is given as an input for the execution, by
257 the mean of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
258 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
259 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The simulated running
260 time of the application is computed according to these properties.
261
262 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
263 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
264 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows to run relatively fast
265 simulations, while still keeping accurate
266 results~\cite{bedaride:hal-00919507,tomacs13}.  Moreover, depending on the
267 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
268 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
269 skipped, but the results have no importance for the simulation results, there is
270 also the possibility to share dynamically allocated data structures between
271 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
272 These two techniques can help to run simulations at a very large scale.
273
274 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
275 \section{Simulation of the multisplitting method}
276 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
277 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 $b$ is the right-hand side vector. We use a multisplitting method based on the block Jacobi splitting to solve this linear system on a large scale platform composed of $L$ clusters of processors~\cite{o1985multi}. In this case, we apply a row-by-row splitting without overlapping  
278 \begin{equation*}
279   \left(\begin{array}{ccc}
280       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
281       \vdots & \ddots & \vdots\\
282       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
283     \end{array} \right)
284   \times
285   \left(\begin{array}{c}
286       X_1 \\
287       \vdots\\
288       X_L
289     \end{array} \right)
290   =
291   \left(\begin{array}{c}
292       B_1 \\
293       \vdots\\
294       B_L
295     \end{array} \right)
296 \end{equation*}
297 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$
298 are assigned to one cluster, where for all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, $A_{\ell
299   m}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_\ell\times n_m$, $X_\ell$ and
300 $B_\ell$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, of size $n_\ell$ each,
301 and $\sum_{\ell} n_\ell=\sum_{m} n_m=n$.
302
303 The multisplitting method proceeds by iteration to solve in parallel the linear system on $L$ clusters of processors, in such a way each sub-system
304 \begin{equation}
305   \label{eq:4.1}
306   \left\{
307     \begin{array}{l}
308       A_{\ell\ell}X_\ell = Y_\ell \text{, such that}\\
309       Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m
310     \end{array}
311   \right.
312 \end{equation}
313 is solved independently by a cluster and communications are required to update
314 the right-hand side sub-vector $Y_\ell$, such that the sub-vectors $X_m$
315 represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system
316 (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our
317 multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is
318 easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we
319 use the parallel algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most
320 used iterative method by many researchers.
321
322 \begin{figure}[!t]
323   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
324   %%% instead
325 \begin{algorithmic}[1]
326 \Input $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
327 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\medskip
328
329 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
330 \State Set the initial guess $x^0$
331 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
332 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
333 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
334 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_\ell^{k+1}$ to neighboring clusters
335 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq \ell}$
336 \EndFor
337
338 \Statex
339
340 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
341 \State Compute local right-hand side $Y_\ell$:
342        \begin{equation*}
343          Y_\ell = B_\ell - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0
344        \end{equation*}
345 \State Solving sub-system $A_{\ell\ell}X_\ell^k=Y_\ell$ with the parallel GMRES method
346 \State \Return $X_\ell^k$
347 \EndFunction
348 \end{algorithmic}
349 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
350 \label{algo:01}
351 \end{figure}
352
353 Algorithm on Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
354 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
355 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
356 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
357 cluster of processors. For all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and
358 vectors with the subscript $\ell$ represent the local data for cluster $\ell$,
359 while $\{A_{\ell m}\}_{m\neq \ell}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix
360 $A$ and $\{X_m\}_{m\neq \ell}$ contain vector elements of solution $x$ shared
361 with neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous
362 communications are performed between processors of the local cluster and those
363 of distant clusters (lines~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in
364 Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are
365 exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
366
367 \begin{figure}[!t]
368 \centering
369   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
370 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
371 \label{fig:4.1}
372 \end{figure}
373
374 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
375 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
376 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
377 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
378 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
379 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
380 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
381 is achieved. So starting from the cluster with rank 1, each master processor $i$
382 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
383 \textit{False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the
384 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
385 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
386 cluster 1 broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work,
387 the local convergence on each cluster $\ell$ is detected when the following
388 condition is satisfied
389 \begin{equation*}
390   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_\ell^k - X_\ell^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
391 \end{equation*}
392 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
393 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
394 $X_\ell^k$ and $X_\ell^{k+1}$.
395
396 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
397 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
398 debugging. Indeed, apart from the review of the program sequence for asynchronous exchanges between processors within a cluster or between clusters, the algorithm was executed successfully with SMPI and provided identical outputs as those obtained with direct execution under MPI. In synchronous 
399 mode, the execution of the program raised no particular issue but in asynchronous mode, the review of the sequence of MPI\_Isend, MPI\_Irecv and MPI\_Waitall instructions
400 and with the addition of the primitive MPI\_Test was needed to avoid a memory fault due to an infinite loop resulting from the non-convergence of the algorithm.
401 \CER{On voulait en fait montrer la simplicité de l'adaptation de l'algo a SimGrid. Les problèmes rencontrés décrits dans ce paragraphe concerne surtout le mode async}\LZK{OK. J'aurais préféré avoir un peu plus de détails sur l'adaptation de la version async} 
402 \CER{Le problème majeur sur l'adaptation MPI vers SMPI pour la partie asynchrone de l'algorithme a été le plantage en SMPI de Waitall après un Isend et Irecv. J'avais proposé un workaround en utilisant un MPI\_wait séparé pour chaque échange a la place d'un waitall unique pour TOUTES les échanges, une instruction qui semble bien fonctionner en MPI. Ce workaround aussi fonctionne bien. Mais après, tu as modifié le programme avec l'ajout d'un MPI\_Test, au niveau de la routine de détection de la convergence et du coup, l'échange global avec waitall a aussi fonctionné.}
403 Note here that the use of SMPI functions optimizer for memory footprint and CPU usage is not recommended knowing that one wants to get real results by simulation.
404 As mentioned, upon this adaptation, the algorithm is executed as in the real life in the simulated environment after the following minor changes. First, all declared 
405 global variables have been moved to local variables for each subroutine. In fact, global variables generate side effects arising from the concurrent access of 
406 shared memory used by threads simulating each computing unit in the SimGrid architecture. Second, the alignment of certain types of variables such as ``long int'' had
407 also to be reviewed.
408 \AG{À propos de ces problèmes d'alignement, en dire plus si ça a un intérêt, ou l'enlever.}
409 \CER{Ce problème fait partie des modifications que j'ai dû faire dans l'adaptation du programme MPI vers SMPI. IL découle de la différence de la taille des mots en mémoire : en 32 bits, pour les variables declarees en long int, on garde dans les instructions de sortie (printf, sprintf, ...) le format \%lu sinon en 64 bits, on le substitue par \%llu.} 
410  Finally, some compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed with the latest version of SimGrid.
411 In total, the initial MPI program running on the simulation environment SMPI gave after a very simple adaptation the same results as those obtained in a real 
412 environment. We have successfully executed the code in synchronous mode using parallel GMRES algorithm compared with our multisplitting algorithm in asynchronous mode after few modifications. 
413
414
415
416 \section{Experimental results}
417
418 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
419 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
420 study that the results depend on the following parameters:  
421 \begin{itemize}
422 \item At the network level, we found that the most critical values are the
423   bandwidth and the network latency.
424 \item Hosts processors power (GFlops) can also influence on the results.
425 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
426   passed to the program like the maximum number of iterations or the precision are critical. They allow us to ensure not only the convergence of the
427   algorithm but also to get the main objective in getting an execution time in asynchronous communication less than in
428   synchronous mode. The ratio between the execution time of synchronous
429   compared to the asynchronous mode ($t_\text{sync} / t_\text{async}$) is defined as the \emph{relative gain}. So,
430   our objective running the algorithm in SimGrid is to obtain a relative gain
431   greater than 1.
432   \AG{$t_\text{async} / t_\text{sync} > 1$, l'objectif est donc que ça dure plus
433     longtemps (que ça aille moins vite) en asynchrone qu'en synchrone ?
434     Ce n'est pas plutôt l'inverse ?}
435   \CER{J'ai modifie la phrase.}
436 \end{itemize}
437
438 A priori, obtaining a relative gain greater than 1 would be difficult in a local
439 area network configuration where the synchronous mode will take advantage on the
440 rapid exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology
441 adopted was to launch the application on a clustered network. In this
442 configuration, degrading the inter-cluster network performance will penalize the
443 synchronous mode allowing to get a relative gain greater than 1.  This action
444 simulates the case of distant clusters linked with long distance network as in grid computing context.
445
446 \AG{Cette partie sur le poisson 3D
447   % on sait donc que ce n'est pas une plie ou une sole (/me fatigué)
448   n'est pas à sa place.  Elle devrait être placée plus tôt.}
449 In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
450 \begin{equation}
451 \left\{
452 \begin{array}{l}
453 \nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
454 u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
455 \end{array}
456 \right.
457 \label{eq:02}
458 \end{equation}
459 where $\nabla^2$ is the Laplace operator, $f$ and $u$ are real-valued functions, and $\Omega=[0,1]^3$. The spatial discretization with a finite difference scheme reduces problem~(\ref{eq:02}) to a system of sparse linear equations. The general iteration scheme of our multisplitting method in a 3D domain using a seven point stencil could be written as 
460 \begin{equation}
461 \begin{array}{ll}
462 u^{k+1}(x,y,z)= & u^k(x,y,z) - \frac{1}{6}\times\\
463                & (u^k(x-1,y,z) + u^k(x+1,y,z) + \\
464                & u^k(x,y-1,z) + u^k(x,y+1,z) + \\
465                & u^k(x,y,z-1) + u^k(x,y,z+1)),
466 \end{array}
467 \label{eq:03}
468 \end{equation} 
469 where the iteration matrix $A$ of size $N_x\times N_y\times N_z$ of the discretized linear system is sparse, symmetric and positive definite. 
470
471 The parallel solving of the 3D Poisson problem with our multisplitting method requires a data partitioning of the problem between clusters and between processors within a cluster. We have chosen the 3D partitioning instead of the row-by-row partitioning in order to reduce the data exchanges at sub-domain boundaries. Figure~\ref{fig:4.2} shows an example of the data partitioning of the 3D Poisson problem between two clusters of processors, where each sub-problem is assigned to a processor. In this context, a processor has at most six neighbors within a cluster or in distant clusters with which it shares data at sub-domain boundaries. 
472
473 \begin{figure}[!t]
474 \centering
475   \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
476 \caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
477 \label{fig:4.2}
478 \end{figure}
479
480
481 % As a first step, 
482 The algorithm was run on a two clusters based network with 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above
483 factors have provided the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50}. The algorithm convergence with a 3D
484 matrix size ranging from $N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 150 elements (that is from
485 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{150}^\text{3} =
486 \text{\np{3375000}}$ entries), is obtained in asynchronous in average 2.5 times speeder than the synchronous mode. 
487 \AG{Expliquer comment lire les tableaux.}
488 \CER{J'ai reformulé la phrase par la lecture du tableau. Plus de détails seront lus dans la partie Interprétations et commentaires}
489 % use the same column width for the following three tables
490 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
491 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
492   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
493   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
494                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
495     \end{tabular}}
496
497 \begin{table}[!t]
498   \centering
499   \caption{2 clusters, each with 50 nodes}
500   \label{tab.cluster.2x50}
501
502   \begin{mytable}{6}
503     \hline
504     bandwidth (Mbits/s)
505     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         & 50 \\
506     \hline
507     latency (ms)
508     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\
509     \hline
510     power (GFlops)
511     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\
512     \hline
513     size
514     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       & 110 \\
515     \hline
516     Precision
517     & \np{E-5}   & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\
518     \hline
519     \hline
520     Relative gain
521     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54     & 2.53 \\
522     \hline
523   \end{mytable}
524
525   \bigskip
526
527   \begin{mytable}{6}
528     \hline
529     bandwidth (Mbits/s)
530     & 50        & 50        & 50        & 50 \\ %       & 10        & 10 \\
531     \hline
532     latency (ms)
533     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\ %      & 0.03      & 0.01 \\
534     \hline
535     Power (GFlops)
536     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\ %      & 1         & 1.5 \\
537     \hline
538     size
539     & 120       & 130       & 140       & 150  \\ %     & 171       & 171 \\
540     \hline
541     Precision
542     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\ % & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
543     \hline
544     \hline
545     Relative gain
546     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54   \\ %  & 1.59      & 1.29 \\
547     \hline
548   \end{mytable}
549 \end{table}
550   
551 %Then we have changed the network configuration using three clusters containing
552 %respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
553 %clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
554 %permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
555 %relative gains greater than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
556
557 \CER{En accord avec RC, on a pour le moment enlevé les tableaux 2 et 3 sachant que les résultats obtenus sont limites. De même, on a enlevé aussi les deux dernières colonnes du tableau I en attendant une meilleure performance et une meilleure precision}
558 %\begin{table}[!t]
559 %  \centering
560 %  \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
561 %  \label{tab.cluster.3x33}
562 %
563 %  \begin{mytable}{6}
564 %    \hline
565 %    bandwidth 
566 %    & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
567 %    \hline
568 %    latency
569 %    & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
570 %    \hline
571 %    power
572 %    & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
573 %    \hline
574 %    size
575 %    & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
576 %    \hline
577 %    Prec/Eprec
578 %    & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
579 %    \hline
580 %    \hline
581 %    Relative gain
582 %    & 1.003    & 1.01     & 1.08     & 1.19     & 1.28     & 1.01 \\
583 %    \hline
584 %  \end{mytable}
585 %\end{table}
586
587 %In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
588 %configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
589 %Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
590
591 %\begin{table}[!t]
592 %  \centering
593 %  \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
594 %  \label{tab.cluster.3x67}
595 %
596 %  \begin{mytable}{1}
597 %    \hline
598 %    bandwidth  & 1 \\
599 %    \hline
600 %    latency    & 0.02 \\
601 %    \hline
602 %    power      & 1 \\
603 %    \hline
604 %    size       & 62 \\
605 %    \hline
606 %    Prec/Eprec & \np{E-5} \\
607 %    \hline
608 %    \hline
609 %    Relative gain    & 1.11 \\
610 %    \hline
611 %  \end{mytable}
612 %\end{table}
613
614 Note that the program was run with the following parameters:
615
616 \paragraph*{SMPI parameters}
617
618 ~\\{}\AG{Donner un peu plus de précisions (plateforme en particulier).}
619 \CER {Précisions ajoutées}
620
621 \begin{itemize}
622 \item HOSTFILE: Text file containing the list of the processors units name. Here 100 hosts;
623 \item PLATFORM: XML file description of the platform architecture : two clusters (cluster1 and cluster2) with the following characteristics :
624
625         - Processor unit power : 1.5 GFlops;
626
627         - Intracluster network : bandwidth = 1,25 Gbits/s and latency = 5E-05 ms;
628
629         - Intercluster network : bandwidth = 5 Mbits/s and latency = 5E-03 ms;
630 \end{itemize}
631
632
633 \paragraph*{Arguments of the program}
634
635 \begin{itemize}
636         \item Description of the cluster architecture matching the format <Number of cluster> <Number of hosts in cluster\_1> <Number of hosts in cluster\_2>;
637         \item Maximum number of iterations;
638         \item Precisions on the residual error;
639         \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
640         \item Matrix diagonal value: \np{1.0}   (See (3));
641         \item Matrix off-diagonal value: $-\frac{1}{6}$         (See(3));
642         \item Communication mode: Asynchronous.
643 \end{itemize}
644
645 \paragraph*{Interpretations and comments}
646
647 After analyzing the outputs, generally, for the two clusters including one hundred hosts configuration (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}), some combinations of parameters affecting
648 the results have given a relative gain more than 2.5, showing the effectiveness of the
649 asynchronous performance compared to the synchronous mode.
650
651 With these settings, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
652 that after a deterioration of inter cluster network with a bandwidth of \np[Mbit/s]{5} and a latency in order of one hundredth of millisecond and a processor power
653 of one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} is
654 obtained in asynchronous mode for a matrix size of 62 elements. It is noticed that the result remains
655 stable even we vary the residual error precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
656 increasing the matrix size up to 100 elements, it was necessary to increase the
657 CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} to get the algorithm convergence and the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining such processor power but increasing network throughput inter cluster up to
658 \np[Mbit/s]{50}, the result of efficiency with a relative gain of 2.5\AG[]{2.5 ?} is obtained with
659 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150 side
660 elements.
661
662 %For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
663 %Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
664 %which gives a relative gain of asynchronous mode more than 1.2. Indeed, for a
665 %matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
666 %(synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
667 %\np[Mbit/s]{10} and a latency of \np[ms]{E-1}. To challenge an efficiency greater than 1.2 with a matrix %size of 100 points, it was necessary to degrade the
668 %inter cluster network bandwidth from 5 to \np[Mbit/s]{2}.
669 \AG{Conclusion, on prend une plateforme pourrie pour avoir un bon ratio sync/async ???
670   Quelle est la perte de perfs en faisant ça ?}
671
672 %A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
673 %with 200 nodes in total. The convergence with a relative gain around 1.1 was
674 %obtained with a bandwidth of \np[Mbit/s]{1} as shown in
675 %Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
676
677 \RC{Est ce qu'on sait expliquer pourquoi il y a une telle différence entre les résultats avec 2 et 3 clusters... Avec 3 clusters, ils sont pas très bons... Je me demande s'il ne faut pas les enlever...}
678 \RC{En fait je pense avoir la réponse à ma remarque... On voit avec les 2 clusters que le gain est d'autant plus grand qu'on choisit une bonne précision. Donc, plusieurs solutions, lancer rapidement un long test pour confirmer ca, ou enlever des tests... ou on ne change rien :-)}
679 \LZK{Ma question est: le bandwidth et latency sont ceux inter-clusters ou pour les deux inter et intra cluster??}
680 \CER{Définitivement, les paramètres réseaux variables ici se rapportent au réseau INTER cluster.}
681 \section{Conclusion}
682 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
683 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
684 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
685 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
686 reach the following three objectives: 
687
688 \begin{enumerate}
689 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
690 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
691 resources;
692 \item to ensure the algorithm convergence with a reasonable time and
693 iteration number ;
694 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
695 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
696 executing the algorithm in asynchronous mode.
697 \end{enumerate}
698 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
699 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
700 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
701 and more increasing size.
702
703  Several studies have already addressed the performance execution time of 
704 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
705 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
706 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
707 mode in a grid architecture. 
708
709 \LZK{Perspectives???}
710
711 \section*{Acknowledgment}
712
713 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
714 \todo[inline]{The authors would like to thank\dots{}}
715
716 % trigger a \newpage just before the given reference
717 % number - used to balance the columns on the last page
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719 % the document is modified later
720 \bibliographystyle{IEEEtran}
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