]> AND Private Git Repository - hpcc2014.git/blob - hpcc.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
47480f886eae3199c1442f0401730aad9e14048e
[hpcc2014.git] / hpcc.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
3 \usepackage[T1]{fontenc}
4 \usepackage[utf8]{inputenc}
5 \usepackage{amsfonts,amssymb}
6 \usepackage{amsmath}
7 %\usepackage{algorithm}
8 \usepackage{algpseudocode}
9 %\usepackage{amsthm}
10 \usepackage{graphicx}
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}
15
16 \usepackage{url}
17 \DeclareUrlCommand\email{\urlstyle{same}}
18
19 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
20 \AtBeginDocument{%
21   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
22   \npthousandthpartsep{}}
23
24 \usepackage{xspace}
25 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
26 \newcommand{\AG}[2][inline]{%
27   \todo[color=green!50,#1]{\sffamily\textbf{AG:} #2}\xspace}
28 \newcommand{\DL}[2][inline]{%
29   \todo[color=yellow!50,#1]{\sffamily\textbf{DL:} #2}\xspace}
30 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
31   \todo[color=blue!10,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
32 \newcommand{\RC}[2][inline]{%
33   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{RC:} #2}\xspace}
34 \newcommand{\CER}[2][inline]{%
35   \todo[color=pink!10,#1]{\sffamily\textbf{CER:} #2}\xspace}
36
37 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
38 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
39
40 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
41 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
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 Algorithms Using SimGrid}
49
50 \author{%
51   \IEEEauthorblockN{%
52     Charles Emile Ramamonjisoa\IEEEauthorrefmark{1},
53     Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2},
54     David Laiymani\IEEEauthorrefmark{1},
55     Arnaud Giersch\IEEEauthorrefmark{1} 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 \begin{abstract}
75
76 Synchronous  iterative  algorithms  are  often less  scalable  than  asynchronous
77 iterative  ones.  Performing  large  scale experiments  with  different kind  of
78 network parameters is not easy  because with supercomputers such parameters are
79 fixed. So one  solution consists in using simulations first  in order to analyze
80 what parameters  could influence or not  the behaviors of an  algorithm. In this
81 paper, we show  that it is interesting to use SimGrid  to simulate the behaviors
82 of asynchronous  iterative algorithms. For that,  we compare the  behaviour of a
83 synchronous  GMRES  algorithm  with  an  asynchronous  multisplitting  one  with
84 simulations  in  which we  choose  some parameters.   Both  codes  are real  MPI
85 codes. Simulations allow us to see when the multisplitting algorithm can be more
86 efficient than the GMRES one to solve a 3D Poisson problem.
87
88
89 % no keywords for IEEE conferences
90 % Keywords: Algorithm distributed iterative asynchronous simulation SimGrid
91 \end{abstract}
92
93 \section{Introduction}
94
95 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming  more and more imperative for solving various
96 problems raised by  researchers on various scientific disciplines but also by industrial in  the field. Indeed, the
97 increasing complexity of these requested  applications combined with a continuous increase of their sizes lead to  write
98 distributed and parallel algorithms requiring significant hardware  resources (grid computing, clusters, broadband
99 network, etc.) but also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a class of highly efficient
100 parallel algorithms called \emph{iterative algorithms} executed in a distributed environment. As their name
101 suggests, these algorithms solve a given problem by successive iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value
102 $X_{0}$ to find an approximate value $X^*$ of the solution with a very low residual error. Several well-known methods
103 demonstrate the convergence of these algorithms~\cite{BT89,Bahi07}.
104
105 Parallelization of such algorithms generally involve the division of the problem
106 into  several  \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple
107 processing units. The latter will communicate each intermediate results before a
108 new  iteration starts  and until  the  approximate solution  is reached.   These
109 parallel computations can be performed either in \emph{synchronous} mode where a
110 new iteration  begins only  when all nodes  communications are completed,  or in
111 \emph{asynchronous}  mode where  processors can  continue independently  with no
112 synchronization points~\cite{bcvc06:ij}. In this case, local computations do not
113 need to  wait for  required data. Processors  can then perform  their iterations
114 with the  data present at that time.  Even if the number  of iterations required
115 before  the convergence  is generally  greater  than for  the synchronous  case,
116 asynchronous  iterative algorithms  can significantly  reduce  overall execution
117 times by  suppressing idle  times due to  synchronizations especially in  a grid
118 computing context (see~\cite{Bahi07} for more details).
119
120 Parallel applications  based on a (synchronous or  asynchronous) iteration model
121 may have different configuration and deployment requirements.  Quantifying their
122 resource  allocation  policies and  application  scheduling  algorithms in  grid
123 computing environments under varying load,  CPU power and network speeds is very
124 costly,       very        labor       intensive       and        very       time
125 consuming~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.   The case  of asynchronous
126 iterative algorithms  is even more problematic  since they are  very sensible to
127 the  execution environment  context.  For instance,  variations  in the  network
128 bandwidth (intra and  inter-clusters), in the number and the  power of nodes, in
129 the number  of clusters\dots{} can lead  to very different  number of iterations
130 and so  to very  different execution times.   Then, it  appears that the  use of
131 simulation tools to explore various  platform scenarios and to run large numbers
132 of  experiments quickly  can  be very  promising.  In  this  way, the  use of  a
133 simulation  environment  to execute  parallel  iterative  algorithms found  some
134 interests in reducing the highly cost  of access to computing resources: (1) for
135 the  applications  development life  cycle  and in  code  debugging  (2) and  in
136 production  to get  results  in a  reasonable  execution time  with a  simulated
137 infrastructure not  accessible with physical  resources.  Indeed, the  launch of
138 distributed  iterative asynchronous  algorithms to  solve a  given problem  on a
139 large-scale  simulated  environment challenges  to  find optimal  configurations
140 giving  the best  results  with  a lowest  residual  error and  in  the best  of
141 execution time.
142
143
144 To our knowledge,  there is no existing work on the  large-scale simulation of a
145 real asynchronous  iterative application.  {\bf The contribution  of the present
146   paper can be  summarised in two main points}.  First we  give a first approach
147 of the simulation  of asynchronous iterative algorithms using  a simulation tool
148 (i.e.    the   SimGrid   toolkit~\cite{SimGrid}).    Second,  we   confirm   the
149 effectiveness  of the  asynchronous  multisplitting algorithm  by comparing  its
150 performance   with  the   synchronous  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual)
151 \cite{ref1}.  Both  these codes can  be used to  solve large linear  systems. In
152 this  paper, we  focus  on  a 3D  Poisson  problem.  We  show,  that with  minor
153 modifications of the initial MPI code,  the SimGrid toolkit allows us to perform
154 a  test campaign  of  a  real asynchronous  iterative  application on  different
155 computing architectures.
156 % The  simulated results  we
157 %obtained are  in line with real  results exposed in  ??\AG[]{ref?}. 
158 SimGrid  had  allowed us  to  launch the  application  from  a modest  computing
159 infrastructure  by simulating  different distributed  architectures  composed by
160 clusters  nodes interconnected by  variable speed  networks.  Parameters  of the
161 network  platforms  are   the  bandwidth  and  the  latency   of  inter  cluster
162 network. Parameters on the cluster's architecture are the number of machines and
163 the  computation power  of a  machine.  Simulations show  that the  asynchronous
164 multisplitting algorithm  can solve the  3D Poisson problem  approximately twice
165 faster than GMRES with two distant clusters.
166
167
168
169 This article is structured as follows: after this introduction, the next section
170 will  give a  brief  description  of iterative  asynchronous  model.  Then,  the
171 simulation framework  SimGrid is presented  with the settings to  create various
172 distributed architectures.  Then, the  multisplitting method is presented, it is
173 based  on GMRES to  solve each  block obtained  of the  splitting. This  code is
174 written with MPI  primitives and its adaptation to  SimGrid with SMPI (Simulated
175 MPI) is  detailed in the next  section. At last, the  simulation results carried
176 out will be presented before some concluding remarks and future works.
177
178  
179 \section{Motivations and scientific context}
180
181 As exposed in  the introduction, parallel iterative methods  are now widely used
182 in  many scientific  domains.   They can  be  classified in  three main  classes
183 depending on  how iterations  and communications are  managed (for  more details
184 readers  can refer  to~\cite{bcvc06:ij}). In  the synchronous  iterations model,
185 data are exchanged  at the end of each iteration. All  the processors must begin
186 the same iteration  at the same time and important idle  times on processors are
187 generated.  It is possible to use asynchronous communications, in this case, the
188 model can be  compared to the previous one except that  data required on another
189 processor are  sent asynchronously i.e.  without  stopping current computations.
190 This technique  allows to partially  overlap communications by  computations but
191 unfortunately, the overlapping is only  partial and important idle times remain.
192 It is clear that, in a grid computing context, where the number of computational
193 nodes is large,  heterogeneous and widely distributed, the  idle times generated
194 by synchronizations are very penalizing. One  way to overcome this problem is to
195 use the asynchronous iterations model.   Here, local computations do not need to
196 wait for  required data. Processors can  then perform their  iterations with the
197 data present  at that time.  Figure~\ref{fig:aiac} illustrates  this model where
198 the gray blocks represent the  computation phases.  With this algorithmic model,
199 the number  of iterations required  before the convergence is  generally greater
200 than  for the  two former  classes.  But,  and as  detailed in~\cite{bcvc06:ij},
201 asynchronous  iterative algorithms  can significantly  reduce  overall execution
202 times by  suppressing idle  times due to  synchronizations especially in  a grid
203 computing context.
204
205 \begin{figure}[!t]
206   \centering
207     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
208   \caption{The asynchronous iterations model}
209   \label{fig:aiac}
210 \end{figure}
211
212
213 %% It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
214 %% heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
215 %% engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
216 %% these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
217 %% novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
218 %% the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
219 %% large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
220 %% context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
221 %% scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
222 %% promising. Several works\dots{}
223
224 %% \AG{Several works\dots{} what?\\
225 %  Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
226 In the context of asynchronous algorithms, the number of iterations to reach the
227 convergence depends on  the delay of messages. With  synchronous iterations, the
228 number of  iterations is exactly  the same than  in the sequential mode  (if the
229 parallelization process does  not change the algorithm). So  the difficulty with
230 asynchronous iteratie algorithms comes from the fact it is necessary to run the algorithm
231 with real data. In fact, from an execution to another the order of messages will
232 change and the  number of iterations to reach the  convergence will also change.
233 According  to all  the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of
234 nodes,  inter  and  intra clusrters  bandwith  and  latency,  ....) and  of  the
235 algorithm  (number   of  splitting  with  the   multisplitting  algorithm),  the
236 multisplitting code  will obtain the solution  more or less  quickly. Or course,
237 the GMRES method also depends of the same parameters. As it is difficult to have
238 access to  many clusters,  grids or supercomputers  with many  different network
239 parameters,  it  is  interesting  to  be  able  to  simulate  the  behaviors  of
240 asynchronous iterative algoritms before being able to runs real experiments.
241
242
243
244
245
246
247 \section{SimGrid}
248
249 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
250 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
251 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
252 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
253 date from 1999, but it's still actively developed and distributed as an open
254 source software.  Today, it's one of the major generic tools in the field of
255 simulation for large-scale distributed systems.
256
257 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
258 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
259 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
260 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
261 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work exposed in
262 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
263 standard~\cite{bedaride:hal-00919507}, and supports applications written in C or
264 Fortran, with little or no modifications.
265
266 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated on a
267 single machine.  The application code is really executed, but some operations
268 like the communications are intercepted, and their running time is computed
269 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
270 description of this target platform is given as an input for the execution, by
271 the mean of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
272 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
273 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The simulated running
274 time of the application is computed according to these properties.
275
276 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
277 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
278 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows to run relatively fast
279 simulations, while still keeping accurate
280 results~\cite{bedaride:hal-00919507,tomacs13}.  Moreover, depending on the
281 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
282 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
283 skipped, but the results have no importance for the simulation results, there is
284 also the possibility to share dynamically allocated data structures between
285 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
286 These two techniques can help to run simulations at a very large scale.
287
288 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
289 \section{Simulation of the multisplitting method}
290 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
291 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  
292 \begin{equation*}
293   \left(\begin{array}{ccc}
294       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
295       \vdots & \ddots & \vdots\\
296       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
297     \end{array} \right)
298   \times
299   \left(\begin{array}{c}
300       X_1 \\
301       \vdots\\
302       X_L
303     \end{array} \right)
304   =
305   \left(\begin{array}{c}
306       B_1 \\
307       \vdots\\
308       B_L
309     \end{array} \right)
310 \end{equation*}
311 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$
312 are assigned to one cluster, where for all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, $A_{\ell
313   m}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_\ell\times n_m$, $X_\ell$ and
314 $B_\ell$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, of size $n_\ell$ each,
315 and $\sum_{\ell} n_\ell=\sum_{m} n_m=n$.
316
317 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
318 \begin{equation}
319   \label{eq:4.1}
320   \left\{
321     \begin{array}{l}
322       A_{\ell\ell}X_\ell = Y_\ell \text{, such that}\\
323       Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m
324     \end{array}
325   \right.
326 \end{equation}
327 is solved independently by a cluster and communications are required to update
328 the right-hand side sub-vector $Y_\ell$, such that the sub-vectors $X_m$
329 represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system
330 (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our
331 multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is
332 easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we
333 use the parallel algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most
334 used iterative method by many researchers.
335
336 \begin{figure}[!t]
337   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
338   %%% instead
339 \begin{algorithmic}[1]
340 \Input $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
341 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\medskip
342
343 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
344 \State Set the initial guess $x^0$
345 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
346 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
347 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
348 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_\ell^{k+1}$ to neighboring clusters
349 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq \ell}$
350 \EndFor
351
352 \Statex
353
354 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
355 \State Compute local right-hand side $Y_\ell$:
356        \begin{equation*}
357          Y_\ell = B_\ell - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0
358        \end{equation*}
359 \State Solving sub-system $A_{\ell\ell}X_\ell^k=Y_\ell$ with the parallel GMRES method
360 \State \Return $X_\ell^k$
361 \EndFunction
362 \end{algorithmic}
363 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
364 \label{algo:01}
365 \end{figure}
366
367 Algorithm on Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
368 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
369 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
370 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
371 cluster of processors. For all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and
372 vectors with the subscript $\ell$ represent the local data for cluster $\ell$,
373 while $\{A_{\ell m}\}_{m\neq \ell}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix
374 $A$ and $\{X_m\}_{m\neq \ell}$ contain vector elements of solution $x$ shared
375 with neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous
376 communications are performed between processors of the local cluster and those
377 of distant clusters (lines~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in
378 Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are
379 exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
380
381 \begin{figure}[!t]
382 \centering
383   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
384 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
385 \label{fig:4.1}
386 \end{figure}
387
388 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
389 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
390 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
391 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
392 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
393 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
394 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
395 is achieved. So starting from the cluster with rank 1, each master processor $i$
396 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
397 \textit{False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the
398 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
399 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
400 cluster 1 broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work,
401 the local convergence on each cluster $\ell$ is detected when the following
402 condition is satisfied
403 \begin{equation*}
404   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_\ell^k - X_\ell^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
405 \end{equation*}
406 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
407 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
408 $X_\ell^k$ and $X_\ell^{k+1}$.
409
410
411
412 In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
413 \begin{equation}
414 \left\{
415 \begin{array}{l}
416 \nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
417 u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
418 \end{array}
419 \right.
420 \label{eq:02}
421 \end{equation}
422 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 
423 \begin{equation}
424 \begin{array}{ll}
425 u^{k+1}(x,y,z)= & u^k(x,y,z) - \frac{1}{6}\times\\
426                & (u^k(x-1,y,z) + u^k(x+1,y,z) + \\
427                & u^k(x,y-1,z) + u^k(x,y+1,z) + \\
428                & u^k(x,y,z-1) + u^k(x,y,z+1)),
429 \end{array}
430 \label{eq:03}
431 \end{equation} 
432 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. 
433
434 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. 
435
436 \begin{figure}[!t]
437 \centering
438   \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
439 \caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
440 \label{fig:4.2}
441 \end{figure}
442
443
444
445
446 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
447 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
448 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 
449 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
450 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.
451 %\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} 
452 %\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.}
453 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.
454 As mentioned, upon this adaptation, the algorithm is executed as in the real life in the simulated environment after the following minor changes. The scope of all declared 
455 global variables have been moved to local to subroutine. Indeed, global variables generate side effects arising from the concurrent access of 
456 shared memory used by threads simulating each computing unit in the SimGrid architecture. 
457 %Second, some compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed with the latest version of SimGrid.
458 %\AG{compilation or run-time error?}
459 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 
460 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. 
461
462
463
464 \section{Simulation results}
465
466 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
467 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
468 study that the results depend on the following parameters:  
469 \begin{itemize}
470 \item At the network level, we found that the most critical values are the
471   bandwidth and the network latency.
472 \item Hosts processors power (GFlops) can also influence on the results.
473 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
474   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
475   algorithm but also to get the main objective in getting an execution time in asynchronous communication less than in
476   synchronous mode. The ratio between the execution time of synchronous
477   compared to the asynchronous mode ($t_\text{sync} / t_\text{async}$) is defined as the \emph{relative gain}. So,
478   our objective running the algorithm in SimGrid is to obtain a relative gain
479   greater than 1.
480 \end{itemize}
481
482 A priori, obtaining a relative gain greater than 1 would be difficult in a local
483 area network configuration where the synchronous mode will take advantage on the
484 rapid exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology
485 adopted was to launch the application on a clustered network. In this
486 configuration, degrading the inter-cluster network performance will penalize the
487 synchronous mode allowing to get a relative gain greater than 1.  This action
488 simulates the case of distant clusters linked with long distance network as in grid computing context.
489
490
491 % As a first step, 
492 The algorithm was run on a two clusters based network with 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above
493 factors have provided the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50}. The algorithm convergence with a 3D
494 matrix size ranging from $N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 150 elements (that is from
495 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{150}^\text{3} =
496 \text{\np{3375000}}$ entries), is obtained in asynchronous in average 2.5 times faster than in the synchronous mode.
497 \AG{Expliquer comment lire les tableaux.}
498 \CER{J'ai reformulé la phrase par la lecture du tableau. Plus de détails seront lus dans la partie Interprétations et commentaires}
499 % use the same column width for the following three tables
500 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
501 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
502   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
503   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
504                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
505     \end{tabular}}
506
507 \begin{table}[!t]
508   \centering
509   \caption{2 clusters, each with 50 nodes}
510   \label{tab.cluster.2x50}
511
512   \begin{mytable}{5}
513     \hline
514     bandwidth (Mbit/s)
515     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         \\
516     \hline
517     latency (ms)
518     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      \\
519     \hline
520     power (GFlops)
521     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       \\
522     \hline
523     size $(n^3)$
524     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       \\
525     \hline
526     Precision
527     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} \\
528     \hline
529     \hline
530     Relative gain
531     & 2.52      & 2.55      & 2.52      & 2.57      & 2.54      \\
532     \hline
533   \end{mytable}
534
535   \bigskip
536
537   \begin{mytable}{5}
538     \hline
539     bandwidth (Mbit/s)
540     & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\ %       & 10        & 10 \\
541     \hline
542     latency (ms)
543     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\ %      & 0.03      & 0.01 \\
544     \hline
545     Power (GFlops)
546     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\ %      & 1         & 1.5 \\
547     \hline
548     size $(n^3)$
549     & 110       & 120       & 130       & 140       & 150  \\ %     & 171       & 171 \\
550     \hline
551     Precision
552     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\ % & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
553     \hline
554     \hline
555     Relative gain
556     & 2.53      & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54   \\ %  & 1.59      & 1.29 \\
557     \hline
558   \end{mytable}
559 \end{table}
560   
561 %Then we have changed the network configuration using three clusters containing
562 %respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
563 %clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
564 %permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
565 %relative gains greater than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
566
567 \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}
568 %\begin{table}[!t]
569 %  \centering
570 %  \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
571 %  \label{tab.cluster.3x33}
572 %
573 %  \begin{mytable}{6}
574 %    \hline
575 %    bandwidth 
576 %    & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
577 %    \hline
578 %    latency
579 %    & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
580 %    \hline
581 %    power
582 %    & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
583 %    \hline
584 %    size
585 %    & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
586 %    \hline
587 %    Prec/Eprec
588 %    & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
589 %    \hline
590 %    \hline
591 %    Relative gain
592 %    & 1.003    & 1.01     & 1.08     & 1.19     & 1.28     & 1.01 \\
593 %    \hline
594 %  \end{mytable}
595 %\end{table}
596
597 %In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
598 %configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
599 %Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
600
601 %\begin{table}[!t]
602 %  \centering
603 %  \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
604 %  \label{tab.cluster.3x67}
605 %
606 %  \begin{mytable}{1}
607 %    \hline
608 %    bandwidth  & 1 \\
609 %    \hline
610 %    latency    & 0.02 \\
611 %    \hline
612 %    power      & 1 \\
613 %    \hline
614 %    size       & 62 \\
615 %    \hline
616 %    Prec/Eprec & \np{E-5} \\
617 %    \hline
618 %    \hline
619 %    Relative gain    & 1.11 \\
620 %    \hline
621 %  \end{mytable}
622 %\end{table}
623
624 Note that the program was run with the following parameters:
625
626 \paragraph*{SMPI parameters}
627
628 \begin{itemize}
629 \item HOSTFILE: Text file containing the list of the processors units name. Here 100 hosts;
630 \item PLATFORM: XML file description of the platform architecture : two clusters (cluster1 and cluster2) with the following characteristics :
631   \begin{itemize}
632   \item Processor unit power: \np[GFlops]{1.5};
633   \item Intracluster network bandwidth: \np[Gbit/s]{1.25} and latency:
634     \np[$\mu$s]{0.05};
635   \item Intercluster network bandwidth: \np[Mbit/s]{5} and latency:
636     \np[$\mu$s]{5};
637   \end{itemize}
638 \end{itemize}
639
640
641 \paragraph*{Arguments of the program}
642
643 \begin{itemize}
644 \item Description of the cluster architecture matching the format <Number of
645   cluster> <Number of hosts in cluster1> <Number of hosts in cluster2>;
646 \item Maximum number of iterations;
647 \item Precisions on the residual error;
648 \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
649 \item Matrix diagonal value: \np{1.0} (See~(\ref{eq:03}));
650 \item Matrix off-diagonal value: \np{-1}/\np{6} (See~(\ref{eq:03}));
651 \item Communication mode: asynchronous.
652 \end{itemize}
653
654 \paragraph*{Interpretations and comments}
655
656 After analyzing the outputs, generally, for the two clusters including one hundred hosts configuration (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}), some combinations of parameters affecting
657 the results have given a relative gain more than 2.5, showing the effectiveness of the
658 asynchronous performance compared to the synchronous mode.
659
660 With these settings, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
661 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
662 of one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} is
663 obtained in asynchronous mode for a matrix size of 62 elements. It is noticed that the result remains
664 stable even we vary the residual error precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
665 increasing the matrix size up to 100 elements, it was necessary to increase the
666 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
667 \np[Mbit/s]{50}, the result of efficiency with a relative gain of 2.5 is obtained with
668 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150 side
669 elements.
670
671 %For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
672 %Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
673 %which gives a relative gain of asynchronous mode more than 1.2. Indeed, for a
674 %matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
675 %(synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
676 %\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
677 %inter cluster network bandwidth from 5 to \np[Mbit/s]{2}.
678 \AG{Conclusion, on prend une plateforme pourrie pour avoir un bon ratio sync/async ???
679   Quelle est la perte de perfs en faisant ça ?}
680
681 %A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
682 %with 200 nodes in total. The convergence with a relative gain around 1.1 was
683 %obtained with a bandwidth of \np[Mbit/s]{1} as shown in
684 %Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
685
686 %\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...}
687 %\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 :-)}
688 %\LZK{Ma question est: le bandwidth et latency sont ceux inter-clusters ou pour les deux inter et intra cluster??}
689 %\CER{Définitivement, les paramètres réseaux variables ici se rapportent au réseau INTER cluster.}
690 \section{Conclusion}
691 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
692 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
693 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
694 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
695 reach the following three objectives: 
696
697 \begin{enumerate}
698 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
699 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
700 resources;
701 \item to ensure the algorithm convergence with a reasonable time and
702 iteration number ;
703 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
704 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
705 executing the algorithm in asynchronous mode.
706 \end{enumerate}
707 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
708 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
709 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
710 and more increasing size.
711
712  Several studies have already addressed the performance execution time of 
713 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
714 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
715 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
716 mode in a grid architecture. 
717
718 \LZK{Perspectives???}
719
720 \section*{Acknowledgment}
721
722 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
723 \todo[inline]{The authors would like to thank\dots{}}
724
725 % trigger a \newpage just before the given reference
726 % number - used to balance the columns on the last page
727 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
728 % the document is modified later
729 \bibliographystyle{IEEEtran}
730 \bibliography{IEEEabrv,hpccBib}
731
732
733
734 \end{document}
735
736 %%% Local Variables:
737 %%% mode: latex
738 %%% TeX-master: t
739 %%% fill-column: 80
740 %%% ispell-local-dictionary: "american"
741 %%% End:
742
743 % LocalWords:  Ramamonjisoa Laiymani Arnaud Giersch Ziane Khodja Raphaël Femto
744 % LocalWords:  Université Franche Comté IUT Montbéliard Maréchal Juin Inria Sud
745 % LocalWords:  Ouest Vieille Talence cedex scalability experimentations HPC MPI
746 % LocalWords:  Parallelization AIAC GMRES multi SMPI SISC SIAC SimDAG DAGs Lua
747 % LocalWords:  Fortran GFlops priori Mbit de du fcomte multisplitting scalable
748 % LocalWords:  SimGrid Belfort parallelize Labex ANR LABX IEEEabrv hpccBib
749 % LocalWords:  intra durations nonsingular Waitall discretization discretized
750 % LocalWords:  InnerSolver Isend Irecv