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[hpcc2014.git] / hpcc.tex
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13 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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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 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  behavior of a
83 synchronous  GMRES  algorithm  with  an  asynchronous  multisplitting  one  with
84 simulations  which let us easily choose  some parameters.   Both  codes  are real  MPI
85 codes and simulations allow us to see when the asynchronous 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 to solve various
96 problems raised by  researchers on various scientific disciplines but also by industrialists 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 involves 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 a \emph{synchronous} mode, where a
110 new iteration  begins only  when all nodes  communications are completed,  or in an
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 required iterations 
115 before  the convergence  is generally  greater  than in  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 are 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 sensitive 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.  
133
134 Thus, using a simulation environment to execute parallel iterative algorithms can prove to be very interesting to reduce 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, to  find optimal  configurations
138 giving  the best  results  with  a lowest  residual  error and  in  the best 
139 execution time is very challenging  for large scale distributed  iterative asynchronous  algorithms
140
141
142 To our knowledge,  there is no existing work on the  large-scale simulation of a
143 real asynchronous  iterative application.  {\bf The contribution  of the present
144   paper can be  summarized in two main points}.  First we  give a first approach
145 of the simulation  of asynchronous iterative algorithms using  a simulation tool
146 (i.e.    the   SimGrid   toolkit~\cite{SimGrid}).    Second,  we   confirm   the
147 efficiency  of the  asynchronous  multisplitting algorithm  by comparing  its
148 performances   with  the   synchronous  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual) method
149 \cite{ref1}.  Both  these codes can  be used to  solve large linear  systems. In
150 this  paper, we  focus  on  a 3D  Poisson  problem.  We  show  that, with  minor
151 modifications of the initial MPI code,  the SimGrid toolkit allows us to perform
152 a  test campaign  of  a  real asynchronous  iterative  application on  different
153 computing architectures.
154 % The  simulated results  we
155 %obtained are  in line with real  results exposed in  ??\AG[]{ref?}. 
156 SimGrid  has  allowed us  to  launch the  application  from  a modest  computing
157 infrastructure  by simulating  different distributed  architectures  composed by
158 clusters  nodes interconnected by  variable speed  networks.  Parameters  of the
159 network  platforms  are   the  bandwidth  and  the  latency   of  inter  cluster
160 network. Parameters on the cluster's architecture are the number of machines and
161 the  computation power  of a  machine.  Simulations show  that the  asynchronous
162 multisplitting algorithm  can solve the  3D Poisson problem  approximately twice
163 faster than GMRES with two distant clusters. In this way, we present an original solution to optimize the use of a simulation 
164 tool to run efficiently an  asynchronous iterative parallel algorithm in a grid architecture
165
166
167
168 This article is structured as follows: after this introduction, the next section
169 will  give a  brief  description  of the iterative  asynchronous  model.  Then,  the
170 simulation framework  SimGrid is presented  with the settings to  create various
171 distributed architectures.  Then, the  multisplitting method is presented, it is
172 based  on GMRES to  solve each  block obtained  from the  splitting. This  code is
173 written with MPI  primitives and its adaptation to  SimGrid with SMPI (Simulated
174 MPI) is  detailed in the next  section. At last, the  simulation results carried
175 out will be presented before some concluding remarks and future works.
176
177  
178 \section{Motivations and scientific context}
179
180 As exposed in  the introduction, parallel iterative methods  are now widely used
181 in  many scientific  domains.   They can  be  classified in  three main  classes
182 depending on  how iterations  and communications are  managed (for  more details
183 readers  can refer  to~\cite{bcvc06:ij}). In  the synchronous  iterations model,
184 data are exchanged  at the end of each iteration. All  the processors must begin
185 the same iteration  at the same time and important idle  times on processors are
186 generated.  It is possible to use asynchronous communications, in this case, the
187 model can be  compared to the previous one except that  data required on another
188 processor are  sent asynchronously i.e.  without  stopping current computations.
189 This technique  allows communications to be partially  overlapped by  computations but
190 unfortunately, the overlapping is only  partial and important idle times remain.
191 It is clear that, in a grid computing context, where the number of computational
192 nodes is large,  heterogeneous and widely distributed, the  idle times generated
193 by synchronizations are very penalizing. One  way to overcome this problem is to
194 use the asynchronous iterations model.   Here, local computations do not need to
195 wait for  required data. Processors can  then perform their  iterations with the
196 data present  at that time.  Figure~\ref{fig:aiac} illustrates  this model where
197 the gray blocks represent the  computation phases.  With this algorithmic model,
198 the number  of iterations required  before the convergence is  generally greater
199 than  for the  two former  classes.  But,  and as  detailed in~\cite{bcvc06:ij},
200 asynchronous  iterative algorithms  can significantly  reduce  overall execution
201 times by  suppressing idle  times due to  synchronizations especially in  a grid
202 computing context.
203
204 \begin{figure}[!t]
205   \centering
206     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
207   \caption{The asynchronous iterations model}
208   \label{fig:aiac}
209 \end{figure}
210
211
212 %% It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
213 %% heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
214 %% engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
215 %% these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
216 %% novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
217 %% the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
218 %% large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
219 %% context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
220 %% scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
221 %% promising. Several works\dots{}
222
223 %% \AG{Several works\dots{} what?\\
224 %  Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
225 In the context of asynchronous algorithms, the number of iterations to reach the
226 convergence depends on  the delay of the messages. With  synchronous iterations, the
227 number of  iterations is exactly  the same than  in the sequential mode  (if the
228 parallelization process does  not change the algorithm). So  the difficulty with
229 asynchronous iterative algorithms comes from the fact that it is necessary to run the algorithm
230 with real data. Indeed, from one execution to the other the order of messages will
231 change and the  number of iterations to reach the  convergence will also change.
232 According  to all  the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of
233 nodes,  inter  and  intra clusters  bandwidth  and  latency, etc.) and  of  the
234 algorithm  (number   of  splittings  with  the   multisplitting  algorithm),  the
235 multisplitting code  will obtain the solution  more or less  quickly. Of course,
236 the GMRES method also depends on the same parameters. As it is difficult to have
237 access to  many clusters,  grids or supercomputers  with many  different network
238 parameters,  it  is  interesting  to  be  able  to  simulate  the  behaviors  of
239 asynchronous iterative algorithms before being able to run real experiments.
240
241
242
243
244
245
246 \section{SimGrid}
247
248 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
249 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
250 suggests, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
251 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
252 date back from 1999, but it is still actively developed and distributed as an open
253 source software.  Today, it is one of the major generic tools in the field of
254 simulation for large-scale distributed systems.
255
256 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
257 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
258 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
259 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
260 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work exposed in
261 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
262 standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
263 applications written in C or Fortran, with little or no modifications.
264
265 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
266 single process.  The application code is really executed, but some operations,
267 like communications, are intercepted, and their running time is computed
268 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
269 description of this target platform is given as an input for the execution, by
270 the mean of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
271 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
272 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
273 simulated processes, as well as the simulated running time of the application
274 are 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 users to run relatively fast
279 simulations, while still keeping accurate
280 results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
281   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
282 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
283 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
284 skipped, but the results are unimportant for the simulation results, it is
285 also possible to share dynamically allocated data structures between
286 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
287 These two techniques can help to run simulations on a very large scale.
288
289 The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
290 See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
291 referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
292 real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
293 SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
294   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
295   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
296 SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
297 applications.
298
299
300 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
301 \section{Simulation of the multisplitting method}
302
303 \subsection{The multisplitting method}
304 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
305 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  
306 \begin{equation*}
307   \left(\begin{array}{ccc}
308       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
309       \vdots & \ddots & \vdots\\
310       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
311     \end{array} \right)
312   \times
313   \left(\begin{array}{c}
314       X_1 \\
315       \vdots\\
316       X_L
317     \end{array} \right)
318   =
319   \left(\begin{array}{c}
320       B_1 \\
321       \vdots\\
322       B_L
323     \end{array} \right)
324 \end{equation*}
325 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$
326 are assigned to one cluster, where for all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, $A_{\ell
327   m}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_\ell\times n_m$, $X_\ell$ and
328 $B_\ell$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, of size $n_\ell$ each,
329 and $\sum_{\ell} n_\ell=\sum_{m} n_m=n$.
330
331 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
332 \begin{equation}
333   \label{eq:4.1}
334   \left\{
335     \begin{array}{l}
336       A_{\ell\ell}X_\ell = Y_\ell \text{, such that}\\
337       Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m
338     \end{array}
339   \right.
340 \end{equation}
341 is solved independently by a cluster and communications are required to update
342 the right-hand side sub-vector $Y_\ell$, such that the sub-vectors $X_m$
343 represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system
344 (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our
345 multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is
346 easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we
347 use the parallel algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most
348 used iterative method by many researchers.
349
350 \begin{figure}[!t]
351   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
352   %%% instead
353 \begin{algorithmic}[1]
354 \Input $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
355 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\medskip
356
357 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
358 \State Set the initial guess $x^0$
359 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
360 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
361 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
362 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_\ell^{k+1}$ to neighboring clusters
363 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq \ell}$
364 \EndFor
365
366 \Statex
367
368 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
369 \State Compute local right-hand side $Y_\ell$:
370        \begin{equation*}
371          Y_\ell = B_\ell - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0
372        \end{equation*}
373 \State Solving sub-system $A_{\ell\ell}X_\ell^k=Y_\ell$ with the parallel GMRES method
374 \State \Return $X_\ell^k$
375 \EndFunction
376 \end{algorithmic}
377 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
378 \label{algo:01}
379 \end{figure}
380
381 The algorithm in Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
382 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
383 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
384 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
385 cluster of processors. For all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and
386 vectors with the subscript $\ell$ represent the local data for cluster $\ell$,
387 while $\{A_{\ell m}\}_{m\neq \ell}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix
388 $A$ and $\{X_m\}_{m\neq \ell}$ contain vector elements of solution $x$ shared
389 with neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous
390 communications are performed between processors of the local cluster and those
391 of distant clusters (lines~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in
392 Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are
393 exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
394
395 \begin{figure}[!t]
396 \centering
397   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
398 \caption{Example of three distant clusters of processors.}
399 \label{fig:4.1}
400 \end{figure}
401
402 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
403 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
404 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
405 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
406 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
407 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
408 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
409 is achieved. So, starting from the cluster with rank 1, each master processor $\ell$
410 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
411 \textit{False} otherwise, and sends it to master processor $\ell+1$. Finally, the
412 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
413 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
414 cluster 1 broadcasts a stop message to the masters of other clusters. In this work,
415 the local convergence on each cluster $\ell$ is detected when the following
416 condition is satisfied
417 \begin{equation*}
418   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_\ell^k - X_\ell^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
419 \end{equation*}
420 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
421 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
422 $X_\ell^k$ and $X_\ell^{k+1}$.
423
424
425
426 In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose mathematical model is 
427 \begin{equation}
428 \left\{
429 \begin{array}{l}
430 \nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
431 u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
432 \end{array}
433 \right.
434 \label{eq:02}
435 \end{equation}
436 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 differences scheme reduces problem~(\ref{eq:02}) to a system of sparse linear equations. Our multisplitting method solves the 3D Poisson problem using a seven point stencil whose general expression could be written as
437 \begin{equation}
438 \begin{array}{l}
439 u(x-1,y,z) + u(x,y-1,z) + u(x,y,z-1)\\+u(x+1,y,z)+u(x,y+1,z)+u(x,y,z+1) \\ -6u(x,y,z)=h^2f(x,y,z),
440 %u(x,y,z)= & \frac{1}{6}\times [u(x-1,y,z) + u(x+1,y,z) + \\
441  %         & u(x,y-1,z) + u(x,y+1,z) + \\
442   %        & u(x,y,z-1) + u(x,y,z+1) - \\ & h^2f(x,y,z)],
443 \end{array}
444 \label{eq:03}
445 \end{equation} 
446 where $h$ is the distance between two adjacent elements in the spatial discretization scheme and 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. 
447
448 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 one 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. 
449
450 \begin{figure}[!t]
451 \centering
452   \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
453 \caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
454 \label{fig:4.2}
455 \end{figure}
456
457
458 \subsection{Simulation of the multisplitting method using SimGrid and SMPI}
459
460
461
462 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
463 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
464 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. For the synchronous GMRES method, the execution of the program raised no particular issue but in the asynchronous multisplitting method, the review of the sequence of \texttt{MPI\_Isend, MPI\_Irecv} and \texttt{MPI\_Waitall} instructions
465 and with the addition of the primitive \texttt{MPI\_Test} was needed to avoid a memory fault due to an infinite loop resulting from the non-convergence of the algorithm.
466 %\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} 
467 %\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.}
468 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.
469 As mentioned, upon this adaptation, the algorithm is executed as in real life in the simulated environment after the following minor changes. The scope of all declared 
470 global variables have been moved to local subroutines. Indeed, global variables generate side effects arising from the concurrent access of 
471 shared memory used by threads simulating each computing unit in the SimGrid architecture. 
472 %Second, some compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed with the latest version of SimGrid.
473 %\AG{compilation or run-time error?}
474 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 
475 environment. We have successfully executed the code for the synchronous GMRES algorithm compared with our asynchronous multisplitting algorithm after few modifications. 
476
477
478
479 \section{Simulation results}
480
481 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
482 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
483 study that the results depend on the following parameters:  
484 \begin{itemize}
485 \item At the network level, we found that the most critical values are the
486   bandwidth and the network latency.
487 \item Hosts processors power (GFlops) can also influence the results.
488 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
489   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
490   algorithm but also to get the main objective in getting an execution time with the asynchronous multisplitting  less than with synchronous GMRES. 
491   \end{itemize}
492
493 The ratio between the simulated execution time of synchronous GMRES algorithm
494 compared to the asynchronous multisplitting algorithm ($t_\text{GMRES} / t_\text{Multisplitting}$) is defined as the \emph{relative gain}. So,
495 our objective running the algorithm in SimGrid is to obtain a relative gain greater than 1.
496 A priori, obtaining a relative gain greater than 1 would be difficult in a local
497 area network configuration where the synchronous GMRES method will take advantage on the
498 rapid exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology
499 adopted was to launch the application on a clustered network. In this
500 configuration, degrading the inter-cluster network performance will penalize the
501 synchronous mode allowing to get a relative gain greater than 1.  This action
502 simulates the case of distant clusters linked with long distance networks as in grid computing context.
503
504
505
506 Both codes were simulated on a two clusters based network with 50 hosts each, totalling 100 hosts. Various combinations of the above
507 factors have provided the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50}. The problem size of the 3D Poisson problem  ranges from $N=N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 150 elements (that is from
508 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{150}^\text{3} =
509 \text{\np{3375000}}$ entries). With the asynchronous multisplitting algorithm the simulated execution time is on average 2.5 times faster than with the synchronous GMRES one. 
510 %\AG{Expliquer comment lire les tableaux.}
511 %\CER{J'ai reformulé la phrase par la lecture du tableau. Plus de détails seront lus dans la partie Interprétations et commentaires}
512 % use the same column width for the following three tables
513 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
514 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
515   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
516   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
517                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
518     \end{tabular}}
519
520 \begin{table}[!t]
521   \centering
522   \caption{Relative gain  of the multisplitting algorithm compared  to GMRES for
523     different configurations with 2 clusters, each one composed of 50 nodes. Latency = $20$ms}
524   \label{tab.cluster.2x50}
525
526   \begin{mytable}{5}
527     \hline
528     bandwidth (Mbit/s)
529     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         \\
530     \hline
531   %  latency (ms)
532    % & 20      &  20      & 20      & 20      & 20      \\
533     %\hline
534     power (GFlops)
535     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       \\
536     \hline
537     size $(N)$
538     & $62^3$        & $62^3$        & $62^3$        & $100^3$       & $100^3$       \\
539     \hline
540     Precision
541     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} \\
542     \hline
543     \hline
544     Relative gain
545     & 2.52      & 2.55      & 2.52      & 2.57      & 2.54      \\
546     \hline
547   \end{mytable}
548
549   \bigskip
550
551   \begin{mytable}{5}
552     \hline
553     bandwidth (Mbit/s)
554     & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\ %       & 10        & 10 \\
555     \hline
556     %latency (ms)
557     %& 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\ %      & 0.03      & 0.01 \\
558     %\hline
559     Power (GFlops)
560     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\ %      & 1         & 1.5 \\
561     \hline
562     size $(N)$
563     & $110^3$       & $120^3$       & $130^3$       & $140^3$       & $150^3$  \\ %     & 171       & 171 \\
564     \hline
565     Precision
566     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\ % & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
567     \hline
568     \hline
569     Relative gain
570     & 2.53      & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54   \\ %  & 1.59      & 1.29 \\
571     \hline
572   \end{mytable}
573 \end{table}
574   
575 %\RC{Du coup la latence est toujours la même, pourquoi la mettre dans la table?}
576
577 %Then we have changed the network configuration using three clusters containing
578 %respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
579 %clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
580 %permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
581 %relative gains greater than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
582
583 %\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}
584 %\begin{table}[!t]
585 %  \centering
586 %  \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
587 %  \label{tab.cluster.3x33}
588 %
589 %  \begin{mytable}{6}
590 %    \hline
591 %    bandwidth 
592 %    & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
593 %    \hline
594 %    latency
595 %    & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
596 %    \hline
597 %    power
598 %    & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
599 %    \hline
600 %    size
601 %    & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
602 %    \hline
603 %    Prec/Eprec
604 %    & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
605 %    \hline
606 %    \hline
607 %    Relative gain
608 %    & 1.003    & 1.01     & 1.08     & 1.19     & 1.28     & 1.01 \\
609 %    \hline
610 %  \end{mytable}
611 %\end{table}
612
613 %In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
614 %configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
615 %Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
616
617 %\begin{table}[!t]
618 %  \centering
619 %  \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
620 %  \label{tab.cluster.3x67}
621 %
622 %  \begin{mytable}{1}
623 %    \hline
624 %    bandwidth  & 1 \\
625 %    \hline
626 %    latency    & 0.02 \\
627 %    \hline
628 %    power      & 1 \\
629 %    \hline
630 %    size       & 62 \\
631 %    \hline
632 %    Prec/Eprec & \np{E-5} \\
633 %    \hline
634 %    \hline
635 %    Relative gain    & 1.11 \\
636 %    \hline
637 %  \end{mytable}
638 %\end{table}
639
640 Note that the program was run with the following parameters:
641
642 \paragraph*{SMPI parameters}
643
644 \begin{itemize}
645 \item HOSTFILE: Text file containing the list of the processors units name. Here 100 hosts;
646 \item PLATFORM: XML file description of the platform architecture with the
647   following characteristics:
648   % two clusters (cluster1 and cluster2) with the following characteristics:
649   \begin{itemize}
650   \item 2 clusters of 50 hosts each;
651   \item Processor unit power: \np[GFlops]{1} or \np[GFlops]{1.5};
652   \item Intra-cluster network bandwidth: \np[Gbit/s]{1.25} and latency: \np[$\mu$s]{50};
653   \item Inter-cluster network bandwidth: \np[Mbit/s]{5} or \np[Mbit/s]{50} and latency: \np[ms]{20};
654   \end{itemize}
655 \end{itemize}
656
657
658 \paragraph*{Arguments of the program}
659
660 \begin{itemize}
661 \item Description of the cluster architecture matching the format <Number of
662   clusters> <Number of hosts in cluster1> <Number of hosts in cluster2>;
663 \item Maximum numbers of outer and inner iterations;
664 \item Outer and inner precisions on the residual error;
665 \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
666 \item Matrix diagonal value: $6$ (see Equation~(\ref{eq:03}));
667 \item Matrix off-diagonal values: $-1$;
668 \item Communication mode: asynchronous.
669 \end{itemize}
670
671 \paragraph*{Interpretations and comments}
672
673 After analyzing the outputs, generally, for the two clusters including one hundred hosts configuration (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}), some combinations of parameters affecting
674 the results, have given a relative gain of more than 2.5, showing the effectiveness of the
675 asynchronous multisplitting  compared to GMRES with two distant clusters.
676
677 With these settings, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
678 that after setting the bandwidth of the  inter cluster network to  \np[Mbit/s]{5}, the latency to $20$ millisecond and the processor power
679 to one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} is
680 obtained in asynchronous mode for a matrix size of $62^3$ elements. It is noticed that the result remains
681 stable even if the residual error precision varies from \np{E-5} to \np{E-9}. By
682 increasing the matrix size up to $100^3$ elements, it was necessary to increase the
683 CPU power by \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} to get the algorithm convergence and the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining  a relative gain of $2.5$ and such processor power but increasing network throughput inter cluster up to \np[Mbit/s]{50},  is obtained with
684 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from $110^3$ to $150^3$ side
685 elements.
686
687 %For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
688 %Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
689 %which gives a relative gain of asynchronous mode more than 1.2. Indeed, for a
690 %matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
691 %(synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
692 %\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
693 %inter cluster network bandwidth from 5 to \np[Mbit/s]{2}.
694 %\AG{Conclusion, on prend une plateforme pourrie pour avoir un bon ratio sync/async ???
695   %Quelle est la perte de perfs en faisant ça ?}
696
697 %A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
698 %with 200 nodes in total. The convergence with a relative gain around 1.1 was
699 %obtained with a bandwidth of \np[Mbit/s]{1} as shown in
700 %Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
701
702 %\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...}
703 %\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 :-)}
704 %\LZK{Ma question est: le bandwidth et latency sont ceux inter-clusters ou pour les deux inter et intra cluster??}
705 %\CER{Définitivement, les paramètres réseaux variables ici se rapportent au réseau INTER cluster.}
706 \section{Conclusion}
707 The simulation of the execution of parallel asynchronous iterative algorithms on large scale  clusters has been presented. 
708 In this work, we show that SimGrid is an efficient simulation tool that has enabled us to 
709 reach the following two objectives: 
710
711 \begin{enumerate}
712 \item  To have  a flexible  configurable execution  platform that  allows  us to
713   simulate algorithms for  which execution of all parts of
714   the  code is  necessary. Using  simulations before  real executions  is  a nice
715   solution to detect potential scalability problems.
716
717 \item To test the combination of the cluster and network specifications permitting to execute an asynchronous algorithm faster than a synchronous one.
718 \end{enumerate}
719 Our results have shown that with two distant clusters, the asynchronous multisplitting method is faster by \np[\%]{40} compared to the synchronous GMRES method
720 which is not negligible for solving complex practical problems with ever increasing size.
721
722 Several studies have already addressed the performance execution time of 
723 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
724 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
725 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
726 mode in a grid architecture. 
727
728 In future works, we plan to extend our experimentations to larger scale platforms by increasing the number of computing cores and the number of clusters. 
729 We will also have to increase the size of the input problem which will require the use of a more powerful simulation platform. At last, we expect to compare our simulation results to real execution results on real architectures in order to better experimentally validate our study. Finally, we also plan to study other problems with the multisplitting method and other asynchronous iterative methods.
730
731 \section*{Acknowledgment}
732
733 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
734 %\todo[inline]{The authors would like to thank\dots{}}
735
736 % trigger a \newpage just before the given reference
737 % number - used to balance the columns on the last page
738 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
739 % the document is modified later
740 \bibliographystyle{IEEEtran}
741 \bibliography{IEEEabrv,hpccBib}
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