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deplacement de l'explication de poisson dans la partie multisplitting
[hpcc2014.git] / hpcc.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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12 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
13 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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19 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
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42
43 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
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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 into several \emph{blocks} that will
106 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will communicate each intermediate results before a new
107 iteration starts and until the approximate solution is reached. These parallel  computations can be performed either in
108 \emph{synchronous} mode where a new iteration begins only when all nodes communications are completed,
109 or in \emph{asynchronous} mode where processors can continue independently with few or no synchronization points. For
110 instance in the \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model~\cite{bcvc06:ij}, local
111 computations do not need to wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present
112 at that time. Even if the number of iterations required before the convergence is generally greater than for the
113 synchronous case, AIAC algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to
114 synchronizations especially in a grid computing context (see~\cite{Bahi07} for more details).
115
116 Parallel   (synchronous  or  asynchronous)   applications  may   have  different
117 configuration   and  deployment   requirements.    Quantifying  their   resource
118 allocation  policies and  application  scheduling algorithms  in grid  computing
119 environments under  varying load, CPU power  and network speeds  is very costly,
120 very          labor           intensive          and          very          time
121 consuming~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.     The   case    of   AIAC
122 algorithms  is  even  more problematic  since  they  are  very sensible  to  the
123 execution environment context. For instance, variations in the network bandwidth
124 (intra and inter-clusters), in the number  and the power of nodes, in the number
125 of clusters\dots{}  can lead to  very different number  of iterations and  so to
126 very  different execution times.  Then, it  appears that  the use  of simulation
127 tools  to  explore  various platform  scenarios  and  to  run large  numbers  of
128 experiments quickly can be very promising.  In this way, the use of a simulation
129 environment  to execute parallel  iterative algorithms  found some  interests in
130 reducing  the  highly  cost  of  access  to computing  resources:  (1)  for  the
131 applications development life cycle and  in code debugging (2) and in production
132 to get  results in a reasonable  execution time with  a simulated infrastructure
133 not  accessible  with physical  resources.  Indeed,  the  launch of  distributed
134 iterative  asynchronous algorithms  to solve  a given  problem on  a large-scale
135 simulated environment challenges to  find optimal configurations giving the best
136 results with a lowest residual error and in the best of execution time.
137
138 To our knowledge,  there is no existing work on the  large-scale simulation of a
139 real  AIAC application.   {\bf  The contribution  of  the present  paper can  be
140   summarised  in two  main  points}.  First  we  give a  first  approach of  the
141 simulation  of  AIAC algorithms  using  a  simulation  tool (i.e.   the  SimGrid
142 toolkit~\cite{SimGrid}).    Second,  we   confirm  the   effectiveness   of  the
143 asynchronous  multisplitting algorithm  by  comparing its  performance with  the
144 synchronous GMRES (Generalized Minimal  Residual) \cite{ref1}.  Both these codes
145 can be  used to  solve large linear  systems. In  this paper, we  focus on  a 3D
146 Poisson  problem.  We show,  that with  minor modifications  of the  initial MPI
147 code, the SimGrid  toolkit allows us to  perform a test campaign of  a real AIAC
148 application on different computing architectures.
149 % The  simulated results  we
150 %obtained are  in line with real  results exposed in  ??\AG[]{ref?}. 
151 SimGrid  had  allowed us  to  launch the  application  from  a modest  computing
152 infrastructure  by simulating  different distributed  architectures  composed by
153 clusters  nodes interconnected by  variable speed  networks.  Parameters  of the
154 network  platforms  are   the  bandwidth  and  the  latency   of  inter  cluster
155 network. Parameters on the cluster's architecture are the number of machines and
156 the  computation power  of a  machine.  Simulations show  that the  asynchronous
157 multisplitting algorithm  can solve the  3D Poisson problem  approximately twice
158 faster than GMRES with two distant clusters.
159
160
161
162 This article is structured as follows: after this introduction, the next section
163 will  give a  brief  description  of iterative  asynchronous  model.  Then,  the
164 simulation framework  SimGrid is presented  with the settings to  create various
165 distributed architectures.  Then, the  multisplitting method is presented, it is
166 based  on GMRES to  solve each  block obtained  of the  splitting. This  code is
167 written with MPI  primitives and its adaptation to  SimGrid with SMPI (Simulated
168 MPI) is  detailed in the next  section. At last, the  simulation results carried
169 out will be presented before some concluding remarks and future works.
170  
171 \section{Motivations and scientific context}
172
173 As exposed in  the introduction, parallel iterative methods  are now widely used
174 in  many  scientific domains.  They  can be  classified  in  three main  classes
175 depending on  how iterations  and communications are  managed (for  more details
176 readers can refer to~\cite{bcvc06:ij}). In the \textit{Synchronous Iterations~--
177   Synchronous Communications (SISC)} model data are exchanged at the end of each
178 iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
179 important  idle  times  on  processors are  generated.  The  \textit{Synchronous
180   Iterations~-- Asynchronous Communications (SIAC)} model can be compared to the
181 previous  one  except   that  data  required  on  another   processor  are  sent
182 asynchronously  i.e.   without  stopping  current computations.  This  technique
183 allows to  partially overlap  communications by computations  but unfortunately,
184 the overlapping  is only partial and  important idle times remain.   It is clear
185 that, in  a grid computing context,  where the number of  computational nodes is
186 large,  heterogeneous  and  widely  distributed,  the idle  times  generated  by
187 synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use
188 the  \textit{Asynchronous   Iterations~--  Asynchronous  Communications  (AIAC)}
189 model.   Here,  local   computations  do   not   need  to   wait  for   required
190 data. Processors can then perform their iterations with the data present at that
191 time.  Figure~\ref{fig:aiac}  illustrates  this  model  where  the  gray  blocks
192 represent the  computation phases.  With  this algorithmic model, the  number of
193 iterations required before the convergence is generally greater than for the two
194 former classes.  But, and as  detailed in~\cite{bcvc06:ij}, AIAC  algorithms can
195 significantly reduce  overall execution times  by suppressing idle times  due to
196 synchronizations  especially  in a  grid  computing context.
197 %\LZK{Répétition  par  rapport à l'intro}
198
199 \begin{figure}[!t]
200   \centering
201     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
202   \caption{The Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications model}
203   \label{fig:aiac}
204 \end{figure}
205
206 \RC{Je serais partant de virer AIAC et laisser asynchronous algorithms... à voir}
207
208 %% It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
209 %% heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
210 %% engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
211 %% these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
212 %% novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
213 %% the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
214 %% large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
215 %% context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
216 %% scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
217 %% promising. Several works\dots{}
218
219 %% \AG{Several works\dots{} what?\\
220 %  Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
221 In the context of asynchronous algorithms, the number of iterations to reach the
222 convergence depends on  the delay of messages. With  synchronous iterations, the
223 number of  iterations is exactly  the same than  in the sequential mode  (if the
224 parallelization process does  not change the algorithm). So  the difficulty with
225 asynchronous algorithms comes from the fact it is necessary to run the algorithm
226 with real data. In fact, from an execution to another the order of messages will
227 change and the  number of iterations to reach the  convergence will also change.
228 According  to all  the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of
229 nodes,  inter  and  intra clusrters  bandwith  and  latency,  ....) and  of  the
230 algorithm  (number   of  splitting  with  the   multisplitting  algorithm),  the
231 multisplitting code  will obtain the solution  more or less  quickly. Or course,
232 the GMRES method also depends of the same parameters. As it is difficult to have
233 access to  many clusters,  grids or supercomputers  with many  different network
234 parameters,  it  is  interesting  to  be  able  to  simulate  the  behaviors  of
235 asynchronous iterative algoritms before being able to runs real experiments.
236
237
238
239
240
241
242 \section{SimGrid}
243
244 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
245 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
246 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
247 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
248 date from 1999, but it's still actively developed and distributed as an open
249 source software.  Today, it's one of the major generic tools in the field of
250 simulation for large-scale distributed systems.
251
252 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
253 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
254 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
255 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
256 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work exposed in
257 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
258 standard~\cite{bedaride:hal-00919507}, and supports applications written in C or
259 Fortran, with little or no modifications.
260
261 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated on a
262 single machine.  The application code is really executed, but some operations
263 like the communications are intercepted, and their running time is computed
264 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
265 description of this target platform is given as an input for the execution, by
266 the mean of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
267 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
268 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The simulated running
269 time of the application is computed according to these properties.
270
271 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
272 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
273 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows to run relatively fast
274 simulations, while still keeping accurate
275 results~\cite{bedaride:hal-00919507,tomacs13}.  Moreover, depending on the
276 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
277 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
278 skipped, but the results have no importance for the simulation results, there is
279 also the possibility to share dynamically allocated data structures between
280 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
281 These two techniques can help to run simulations at a very large scale.
282
283 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
284 \section{Simulation of the multisplitting method}
285 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
286 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  
287 \begin{equation*}
288   \left(\begin{array}{ccc}
289       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
290       \vdots & \ddots & \vdots\\
291       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
292     \end{array} \right)
293   \times
294   \left(\begin{array}{c}
295       X_1 \\
296       \vdots\\
297       X_L
298     \end{array} \right)
299   =
300   \left(\begin{array}{c}
301       B_1 \\
302       \vdots\\
303       B_L
304     \end{array} \right)
305 \end{equation*}
306 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$
307 are assigned to one cluster, where for all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, $A_{\ell
308   m}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_\ell\times n_m$, $X_\ell$ and
309 $B_\ell$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, of size $n_\ell$ each,
310 and $\sum_{\ell} n_\ell=\sum_{m} n_m=n$.
311
312 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
313 \begin{equation}
314   \label{eq:4.1}
315   \left\{
316     \begin{array}{l}
317       A_{\ell\ell}X_\ell = Y_\ell \text{, such that}\\
318       Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m
319     \end{array}
320   \right.
321 \end{equation}
322 is solved independently by a cluster and communications are required to update
323 the right-hand side sub-vector $Y_\ell$, such that the sub-vectors $X_m$
324 represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system
325 (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our
326 multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is
327 easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we
328 use the parallel algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most
329 used iterative method by many researchers.
330
331 \begin{figure}[!t]
332   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
333   %%% instead
334 \begin{algorithmic}[1]
335 \Input $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
336 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\medskip
337
338 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
339 \State Set the initial guess $x^0$
340 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
341 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
342 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
343 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_\ell^{k+1}$ to neighboring clusters
344 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq \ell}$
345 \EndFor
346
347 \Statex
348
349 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
350 \State Compute local right-hand side $Y_\ell$:
351        \begin{equation*}
352          Y_\ell = B_\ell - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0
353        \end{equation*}
354 \State Solving sub-system $A_{\ell\ell}X_\ell^k=Y_\ell$ with the parallel GMRES method
355 \State \Return $X_\ell^k$
356 \EndFunction
357 \end{algorithmic}
358 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
359 \label{algo:01}
360 \end{figure}
361
362 Algorithm on Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
363 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
364 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
365 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
366 cluster of processors. For all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and
367 vectors with the subscript $\ell$ represent the local data for cluster $\ell$,
368 while $\{A_{\ell m}\}_{m\neq \ell}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix
369 $A$ and $\{X_m\}_{m\neq \ell}$ contain vector elements of solution $x$ shared
370 with neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous
371 communications are performed between processors of the local cluster and those
372 of distant clusters (lines~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in
373 Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are
374 exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
375
376 \begin{figure}[!t]
377 \centering
378   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
379 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
380 \label{fig:4.1}
381 \end{figure}
382
383 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
384 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
385 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
386 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
387 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
388 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
389 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
390 is achieved. So starting from the cluster with rank 1, each master processor $i$
391 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
392 \textit{False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the
393 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
394 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
395 cluster 1 broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work,
396 the local convergence on each cluster $\ell$ is detected when the following
397 condition is satisfied
398 \begin{equation*}
399   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_\ell^k - X_\ell^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
400 \end{equation*}
401 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
402 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
403 $X_\ell^k$ and $X_\ell^{k+1}$.
404
405
406
407 In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
408 \begin{equation}
409 \left\{
410 \begin{array}{l}
411 \nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
412 u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
413 \end{array}
414 \right.
415 \label{eq:02}
416 \end{equation}
417 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 
418 \begin{equation}
419 \begin{array}{ll}
420 u^{k+1}(x,y,z)= & u^k(x,y,z) - \frac{1}{6}\times\\
421                & (u^k(x-1,y,z) + u^k(x+1,y,z) + \\
422                & u^k(x,y-1,z) + u^k(x,y+1,z) + \\
423                & u^k(x,y,z-1) + u^k(x,y,z+1)),
424 \end{array}
425 \label{eq:03}
426 \end{equation} 
427 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. 
428
429 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. 
430
431 \begin{figure}[!t]
432 \centering
433   \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
434 \caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
435 \label{fig:4.2}
436 \end{figure}
437
438
439
440
441 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
442 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
443 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 
444 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
445 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.
446 \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}
447 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.
448 As mentioned, upon this adaptation, the algorithm is executed as in the real life in the simulated environment after the following minor changes. First, all declared 
449 global variables have been moved to local variables for each subroutine. In fact, global variables generate side effects arising from the concurrent access of 
450 shared memory used by threads simulating each computing unit in the SimGrid architecture. Second, the alignment of certain types of variables such as ``long int'' had
451 also to be reviewed.
452 \AG{À propos de ces problèmes d'alignement, en dire plus si ça a un intérêt, ou l'enlever.}
453  Finally, some compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed with the latest version of SimGrid.
454 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 
455 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. 
456
457
458
459 \section{Simulation results}
460
461 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
462 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
463 study that the results depend on the following parameters:  
464 \begin{itemize}
465 \item At the network level, we found that the most critical values are the
466   bandwidth and the network latency.
467 \item Hosts power (GFlops) can also influence on the results.
468 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
469   passed to the program like the maximum number of iterations or the external
470   precision are critical. They allow to ensure not only the convergence of the
471   algorithm but also to get the main objective of the experimentation of the
472   simulation in having an execution time in asynchronous less than in
473   synchronous mode. The ratio between the execution time of asynchronous
474   compared to the synchronous mode is defined as the \emph{relative gain}. So,
475   our objective running the algorithm in SimGrid is to obtain a relative gain
476   greater than 1.
477   \AG{$t_\text{async} / t_\text{sync} > 1$, l'objectif est donc que ça dure plus
478     longtemps (que ça aille moins vite) en asynchrone qu'en synchrone ?
479     Ce n'est pas plutôt l'inverse ?}
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 clustered network. In this last
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 like
489 Internet.
490
491
492 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
493 containing 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above
494 factors have provided the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a
495 matrix size ranging from $N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 171 elements or from
496 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{171}^\text{3} =
497 \text{\np{5000211}}$ entries.
498 \AG{Expliquer comment lire les tableaux.}
499
500 % use the same column width for the following three tables
501 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
502 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
503   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
504   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
505                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
506     \end{tabular}}
507
508 \begin{table}[!t]
509   \centering
510   \caption{2 clusters, each with 50 nodes}
511   \label{tab.cluster.2x50}
512
513   \begin{mytable}{6}
514     \hline
515     bandwidth
516     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         & 50 \\
517     \hline
518     latency
519     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\
520     \hline
521     power
522     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\
523     \hline
524     size
525     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       & 110 \\
526     \hline
527     Prec/Eprec
528     & \np{E-5}   & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\
529     \hline
530     \hline
531     Relative gain
532     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54     & 2.53 \\
533     \hline
534   \end{mytable}
535
536   \bigskip
537
538   \begin{mytable}{6}
539     \hline
540     bandwidth
541     & 50        & 50        & 50        & 50        & 10        & 10 \\
542     \hline
543     latency
544     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.03      & 0.01 \\
545     \hline
546     power
547     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1         & 1.5 \\
548     \hline
549     size
550     & 120       & 130       & 140       & 150       & 171       & 171 \\
551     \hline
552     Prec/Eprec
553     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
554     \hline
555     \hline
556     Relative gain
557     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54     & 1.59      & 1.29 \\
558     \hline
559   \end{mytable}
560 \end{table}
561   
562 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
563 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
564 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
565 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
566 relative gains greater than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
567
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 ~\\{}\AG{Donner un peu plus de précisions (plateforme en particulier).}
629 \begin{itemize}
630 \item HOSTFILE: Hosts file description.
631 \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU
632   power, \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network
633   (bandwidth, latency, \dots{}).
634 \end{itemize}
635
636
637 \paragraph*{Arguments of the program}
638
639 \begin{itemize}
640         \item Description of the cluster architecture;
641         \item Maximum number of internal and external iterations;
642         \item Internal and external precisions;
643         \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
644         \item Matrix diagonal value: \np{6.0};
645         \item Matrix off-diagonal value: \np{-1.0};
646         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
647 \end{itemize}
648
649 \paragraph*{Interpretations and comments}
650
651 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
652 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}
653 and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the used parameters affecting
654 the results have given a relative gain more than 2.5, showing the effectiveness of the
655 asynchronous performance compared to the synchronous mode.
656
657 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
658 that with a deterioration of inter cluster network set with \np[Mbit/s]{5} of
659 bandwidth, a latency in order of a hundredth of a millisecond and a system power
660 of one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is
661 obtained for a matrix size of 62 elements. It is noticed that the result remains
662 stable even if we vary the external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
663 increasing the matrix size up to 100 elements, it was necessary to increase the
664 CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a convergence of the algorithm
665 with the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining such a system
666 power but this time, increasing network throughput inter cluster up to
667 \np[Mbit/s]{50}, the result of efficiency with a relative gain of 1.5\AG[]{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
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{}}
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