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Private GIT Repository
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[hpcc2014.git] / hpcc.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
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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
29 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
30 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
31
32 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
33 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
34
35
36 \begin{document}
37
38 \title{Simulation of Asynchronous Iterative Numerical Algorithms Using SimGrid}
39
40 \author{%
41   \IEEEauthorblockN{%
42     Charles Emile Ramamonjisoa and
43     David Laiymani and
44     Arnaud Giersch and
45     Lilia Ziane Khodja and
46     Raphaël Couturier
47   }
48   \IEEEauthorblockA{%
49     Femto-ST Institute - DISC Department\\
50     Université de Franche-Comté\\
51     Belfort\\
52     Email: \email{{raphael.couturier,arnaud.giersch,david.laiymani,charles.ramamonjisoa}@univ-fcomte.fr}
53   }
54 }
55
56 \maketitle
57
58 \AG{Ordre des autheurs pas définitif}
59 \begin{abstract}
60 The abstract goes here.
61 \end{abstract}
62
63 \section{Introduction}
64
65 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming 
66 more and more imperative for solving various problems raised by 
67 researchers on various scientific disciplines but also by industrial in 
68 the field. Indeed, the increasing complexity of these requested 
69 applications combined with a continuous increase of their sizes lead to 
70 write distributed and parallel algorithms requiring significant hardware 
71 resources (grid computing, clusters, broadband network, etc\dots{}) but
72 also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a
73 class of highly efficient parallel algorithms called iterative executed 
74 in a distributed environment. As their name suggests, these algorithm 
75 solves a given problem that might be NP- complete complex by successive 
76 iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value $X_{0}$ to find
77 an approximate value $X^*$ of the solution with a very low
78 residual error. Several well-known methods demonstrate the convergence 
79 of these algorithms. Generally, to reduce the complexity and the 
80 execution time, the problem is divided into several \emph{pieces} that will
81 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will 
82 communicate each intermediate results before a new iteration starts 
83 until the approximate solution is reached. These distributed parallel 
84 computations can be performed either in \emph{synchronous} communication mode
85 where a new iteration begin only when all nodes communications are 
86 completed, either \emph{asynchronous} mode where processors can continue
87 independently without or few synchronization points. Despite the 
88 effectiveness of iterative approach, a major drawback of the method is 
89 the requirement of huge resources in terms of computing capacity, 
90 storage and high speed communication network. Indeed, limited physical 
91 resources are blocking factors for large-scale deployment of parallel 
92 algorithms. 
93
94 In recent years, the use of a simulation environment to execute parallel 
95 iterative algorithms found some interests in reducing the highly cost of 
96 access to computing resources: (1) for the applications development life 
97 cycle and in code debugging (2) and in production to get results in a 
98 reasonable execution time with a simulated infrastructure not accessible 
99 with physical resources. Indeed, the launch of distributed iterative 
100 asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale 
101 simulated environment challenges to find optimal configurations giving 
102 the best results with a lowest residual error and in the best of 
103 execution time. According our knowledge, no testing of large-scale 
104 simulation of the class of algorithm solving to achieve real results has 
105 been undertaken to date. We had in the scope of this work implemented a 
106 program for solving large non-symmetric linear system of equations by 
107 numerical method GMRES (Generalized Minimal Residual) in the simulation
108 environment SimGrid. The simulated platform had allowed us to launch
109 the application from a modest computing infrastructure by simulating 
110 different distributed architectures composed by clusters nodes 
111 interconnected by variable speed networks. In addition, it has been 
112 permitted to show the effectiveness of asynchronous mode algorithm by 
113 comparing its performance with the synchronous mode time. With selected 
114 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster 
115 network) and on the clusters architecture (number, capacity calculation 
116 power) in the simulated environment, the experimental results have
117 demonstrated not only the algorithm convergence within a reasonable time 
118 compared with the physical environment performance, but also a time 
119 saving of up to \np[\%]{40} in asynchronous mode.
120
121 This article is structured as follows: after this introduction, the next 
122 section will give a brief description of iterative asynchronous model. 
123 Then, the simulation framework SimGrid will be presented with the
124 settings to create various distributed architectures. The algorithm of 
125 the multi -splitting method used by GMRES written with MPI primitives 
126 and its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) will be in the
127 next section. At last, the experiments results carried out will be
128 presented before the conclusion which we will announce the opening of 
129 our future work after the results.
130  
131 \section{The asynchronous iteration model}
132
133 Décrire le modèle asynchrone. Je m'en charge (DL)
134
135 \section{SimGrid}
136
137 Décrire SimGrid (Arnaud)
138
139
140
141
142
143
144
145 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
146 \section{Simulation of the multisplitting method}
147 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
148 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  
149 \[
150 \left(\begin{array}{ccc}
151 A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
152 \vdots & \ddots & \vdots\\
153 A_{L1} & \cdots & A_{LL}
154 \end{array} \right)
155 \times 
156 \left(\begin{array}{c}
157 X_1 \\
158 \vdots\\
159 X_L
160 \end{array} \right)
161 =
162 \left(\begin{array}{c}
163 Y_1 \\
164 \vdots\\
165 Y_L
166 \end{array} \right)\] 
167 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 $\sum_{l} n_l=\sum_{i} n_i=n$.
168
169 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
170 \begin{equation}
171 \left\{
172 \begin{array}{l}
173 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
174 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{i=1,i\neq l}^{L}A_{li}X_i,
175 \end{array}
176 \right.
177 \label{eq:4.1}
178 \end{equation}
179 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. 
180
181 \begin{algorithm}
182 \caption{A multisplitting solver with inner iteration GMRES method}
183 \begin{algorithmic}[1]
184 \Input $A_l$ (local sparse matrix), $B_l$ (local right-hand side), $x^0$ (initial guess)
185 \Output $X_l$ (local solution vector)\vspace{0.2cm}
186 \State Load $A_l$, $B_l$, $x^0$
187 \State Initialize the shared vector $\hat{x}=x^0$
188 \For {$k=1,2,3,\ldots$ until the global convergence}
189 \State $x^0=\hat{x}$
190 \State Inner iteration solver: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k$}
191 \State Exchange the local solution ${X}_l^k$ with the neighboring clusters and copy the shared vector elements in $\hat{x}$
192 \EndFor
193
194 \Statex
195
196 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
197 \State Compute the local right-hand side: $Y_l = B_l - \sum^L_{i=1,i\neq l}A_{li}X_i^0$
198 \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
199 \State \Return $X_l^k$
200 \EndFunction
201 \end{algorithmic}
202 \label{algo:01}
203 \end{algorithm}
204 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
205
206
207
208
209
210
211
212
213 \section{Experimental results}
214
215 When the ``real'' application runs in the simulation environment and produces
216 the expected results, varying the input parameters and the program arguments
217 allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
218 study that the results depend on the following parameters: (1) at the network
219 level, we found that the most critical values are the bandwidth (bw) and the
220 network latency (lat). (2) Hosts power (GFlops) can also influence on the
221 results. And finally, (3) when submitting job batches for execution, the
222 arguments values passed to the program like the maximum number of iterations or
223 the ``external'' precision are critical to ensure not only the convergence of the
224 algorithm but also to get the main objective of the experimentation of the
225 simulation in having an execution time in asynchronous less than in synchronous
226 mode, in others words, in having a ``speedup'' less than 1 (Speedup = Execution
227 time in synchronous mode / Execution time in asynchronous mode).
228
229 A priori, obtaining a speedup less than 1 would be difficult in a local area
230 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the rapid
231 exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology adopted
232 was to launch the application on clustered network. In this last configuration,
233 degrading the inter-cluster network performance will \emph{penalize} the synchronous
234 mode allowing to get a speedup lower than 1. This action simulates the case of
235 clusters linked with long distance network like Internet.
236
237 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
238 containing fifty hosts each, totaling one hundred hosts. Various combinations of
239 the above factors have providing the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a matrix size
240 ranging from Nx = Ny = Nz = 62 to 171 elements or from $62^{3} = \np{238328}$ to
241 $171^{3} = \np{5211000}$ entries.
242
243 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
244 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
245 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
246 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the speedups less than 1 with
247 a matrix size from 62 to 100 elements.
248
249 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
250 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
251
252 Note that the program was run with the following parameters:
253
254 \paragraph*{SMPI parameters}
255
256 \begin{itemize}
257         \item HOSTFILE: Hosts file description.
258         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
259 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
260 lat latency, \dots{}).
261 \end{itemize}
262
263
264 \paragraph*{Arguments of the program}
265
266 \begin{itemize}
267         \item Description of the cluster architecture;
268         \item Maximum number of internal and external iterations;
269         \item Internal and external precisions;
270         \item Matrix size NX, NY and NZ;
271         \item Matrix diagonal value = 6.0;
272         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
273 \end{itemize}
274
275 \begin{table}
276   \centering
277   \caption{2 clusters X 50 nodes}
278   \label{tab.cluster.2x50}
279   \AG{Les images manquent dans le dépôt Git. Si ce sont vraiment des tableaux, utiliser un format vectoriel (eps ou pdf), et surtout pas de jpeg!}
280   \includegraphics[width=209pt]{img1.jpg}
281 \end{table}
282
283 \begin{table}
284   \centering
285   \caption{3 clusters X 33 nodes}
286   \label{tab.cluster.3x33}
287   \AG{Le fichier manque.}
288   \includegraphics[width=209pt]{img2.jpg}
289 \end{table}
290
291 \begin{table}
292   \centering
293   \caption{3 clusters X 67 nodes}
294   \label{tab.cluster.3x67}
295   \AG{Le fichier manque.}
296 %  \includegraphics[width=160pt]{img3.jpg}
297   \includegraphics[scale=0.5]{img3.jpg}
298 \end{table}
299
300 \paragraph*{Interpretations and comments}
301
302 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
303 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50} and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the
304 used parameters affecting the results have given a speedup less than 1, showing
305 the effectiveness of the asynchronous performance compared to the synchronous
306 mode.
307
308 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows that with a
309 deterioration of inter cluster network set with \np[Mbits/s]{5} of bandwidth, a latency
310 in order of a hundredth of a millisecond and a system power of one GFlops, an
311 efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is obtained for a matrix size of 62
312 elements. It is noticed that the result remains stable even if we vary the
313 external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By increasing the problem size up to 100
314 elements, it was necessary to increase the CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a
315 convergence of the algorithm with the same order of asynchronous mode efficiency.
316 Maintaining such a system power but this time, increasing network throughput
317 inter cluster up to \np[Mbits/s]{50}, the result of efficiency of about \np[\%]{40} is
318 obtained with high external  precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150
319 side elements.
320
321 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts, Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows
322 that it was difficult to have a combination which gives an efficiency of
323 asynchronous below \np[\%]{80}. Indeed, for a matrix size of 62 elements, equality
324 between the performance of the two modes (synchronous and asynchronous) is
325 achieved with an inter cluster of \np[Mbits/s]{10} and a latency of \np{E-1} ms. To
326 challenge an efficiency by \np[\%]{78} with a matrix size of 100 points, it was
327 necessary to degrade the inter cluster network bandwidth from 5 to 2 Mbit/s.
328
329 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more power
330 with 200 nodes in total. The convergence with a speedup of \np[\%]{90} was obtained
331 with a bandwidth of \np[Mbits/s]{1} as shown in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
332
333 \section{Conclusion}
334
335 \section*{Acknowledgment}
336
337
338 The authors would like to thank\dots{}
339
340
341 % trigger a \newpage just before the given reference
342 % number - used to balance the columns on the last page
343 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
344 % the document is modified later
345 \bibliographystyle{IEEEtran}
346 \bibliography{hpccBib}
347
348 \end{document}
349
350 %%% Local Variables:
351 %%% mode: latex
352 %%% TeX-master: t
353 %%% fill-column: 80
354 %%% ispell-local-dictionary: "american"
355 %%% End: