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1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
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11 \usepackage[american]{babel}
12 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
13 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
14 %\usepackage{hyperref}
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17 \DeclareUrlCommand\email{\urlstyle{same}}
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19 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
20 \AtBeginDocument{%
21   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
22   \npthousandthpartsep{}}
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24 \usepackage{xspace}
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26 \newcommand{\AG}[2][inline]{%
27   \todo[color=green!50,#1]{\sffamily\textbf{AG:} #2}\xspace}
28 \newcommand{\RC}[2][inline]{%
29   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{RC:} #2}\xspace}
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31   \todo[color=blue!10,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
32
33 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
34 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
35
36 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
37 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
38
39 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
40
41
42 \begin{document}
43
44 \title{Simulation of Asynchronous Iterative Numerical Algorithms Using SimGrid}
45
46 \author{%
47   \IEEEauthorblockN{%
48     Charles Emile Ramamonjisoa\IEEEauthorrefmark{1},
49     David Laiymani\IEEEauthorrefmark{1},
50     Arnaud Giersch\IEEEauthorrefmark{1},
51     Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2} and
52     Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}
53   }
54   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}%
55     Femto-ST Institute -- DISC Department\\
56     Université de Franche-Comté,
57     IUT de Belfort-Montbéliard\\
58     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
59     Email: \email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}
60   }
61   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}%
62     Inria Bordeaux Sud-Ouest\\
63     200 avenue de la Vieille Tour, 33405 Talence cedex, France \\
64     Email: \email{lilia.ziane@inria.fr}
65   }
66 }
67
68 \maketitle
69
70 \RC{Ordre des autheurs pas définitif.}
71 \begin{abstract}
72 ABSTRACT
73
74 In recent years, the scalability of large-scale implementation in a 
75 distributed environment of algorithms becoming more and more complex has 
76 always been hampered by the limits of physical computing resources 
77 capacity. One solution is to run the program in a virtual environment 
78 simulating a real interconnected computers architecture. The results are 
79 convincing and useful solutions are obtained with far fewer resources 
80 than in a real platform. However, challenges remain for the convergence 
81 and efficiency of a class of algorithms that concern us here, namely 
82 numerical parallel iterative algorithms executed in asynchronous mode, 
83 especially in a large scale level. Actually, such algorithm requires a 
84 balance and a compromise between computation and communication time 
85 during the execution. Two important factors determine the success of the 
86 experimentation: the convergence of the iterative algorithm on a large 
87 scale and the execution time reduction in asynchronous mode. Once again, 
88 from the current work, a simulated environment like Simgrid provides 
89 accurate results which are difficult or even impossible to obtain in a 
90 physical platform by exploiting the flexibility of the simulator on the 
91 computing units clusters and the network structure design. Our 
92 experimental outputs showed a saving of up to 40 \% for the algorithm 
93 execution time in asynchronous mode compared to the synchronous one with 
94 a residual precision up to E-11. Such successful results open 
95 perspectives on experimentations for running the algorithm on a 
96 simulated large scale growing environment and with larger problem size. 
97
98 Keywords : Algorithm distributed iterative asynchronous simulation 
99 simgrid
100
101 \end{abstract}
102
103 \section{Introduction}
104
105 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming 
106 more and more imperative for solving various problems raised by 
107 researchers on various scientific disciplines but also by industrial in 
108 the field. Indeed, the increasing complexity of these requested 
109 applications combined with a continuous increase of their sizes lead to 
110 write distributed and parallel algorithms requiring significant hardware 
111 resources (grid computing, clusters, broadband network, etc\dots{}) but
112 also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a
113 class of highly efficient parallel algorithms called iterative executed 
114 in a distributed environment. As their name suggests, these algorithm 
115 solves a given problem that might be NP- complete complex by successive 
116 iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value $X_{0}$ to find
117 an approximate value $X^*$ of the solution with a very low
118 residual error. Several well-known methods demonstrate the convergence 
119 of these algorithms. Generally, to reduce the complexity and the 
120 execution time, the problem is divided into several \emph{pieces} that will
121 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will 
122 communicate each intermediate results before a new iteration starts 
123 until the approximate solution is reached. These distributed parallel 
124 computations can be performed either in \emph{synchronous} communication mode
125 where a new iteration begin only when all nodes communications are 
126 completed, either \emph{asynchronous} mode where processors can continue
127 independently without or few synchronization points. Despite the 
128 effectiveness of iterative approach, a major drawback of the method is 
129 the requirement of huge resources in terms of computing capacity, 
130 storage and high speed communication network. Indeed, limited physical 
131 resources are blocking factors for large-scale deployment of parallel 
132 algorithms. 
133
134 In recent years, the use of a simulation environment to execute parallel 
135 iterative algorithms found some interests in reducing the highly cost of 
136 access to computing resources: (1) for the applications development life 
137 cycle and in code debugging (2) and in production to get results in a 
138 reasonable execution time with a simulated infrastructure not accessible 
139 with physical resources. Indeed, the launch of distributed iterative 
140 asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale 
141 simulated environment challenges to find optimal configurations giving 
142 the best results with a lowest residual error and in the best of 
143 execution time. According our knowledge, no testing of large-scale 
144 simulation of the class of algorithm solving to achieve real results has 
145 been undertaken to date. We had in the scope of this work implemented a 
146 program for solving large non-symmetric linear system of equations by 
147 numerical method GMRES (Generalized Minimal Residual) in the simulation
148 environment SimGrid. The simulated platform had allowed us to launch
149 the application from a modest computing infrastructure by simulating 
150 different distributed architectures composed by clusters nodes 
151 interconnected by variable speed networks. In addition, it has been 
152 permitted to show the effectiveness of asynchronous mode algorithm by 
153 comparing its performance with the synchronous mode time. With selected 
154 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster 
155 network) and on the clusters architecture (number, capacity calculation 
156 power) in the simulated environment, the experimental results have
157 demonstrated not only the algorithm convergence within a reasonable time 
158 compared with the physical environment performance, but also a time 
159 saving of up to \np[\%]{40} in asynchronous mode.
160
161 This article is structured as follows: after this introduction, the next 
162 section will give a brief description of iterative asynchronous model. 
163 Then, the simulation framework SimGrid will be presented with the
164 settings to create various distributed architectures. The algorithm of 
165 the multi -splitting method used by GMRES written with MPI primitives 
166 and its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) will be in the
167 next section. At last, the experiments results carried out will be
168 presented before the conclusion which we will announce the opening of 
169 our future work after the results.
170  
171 \section{The asynchronous iteration model}
172
173 Décrire le modèle asynchrone. Je m'en charge (DL)
174
175 \section{SimGrid}
176
177 Décrire SimGrid~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} (Arnaud)
178
179
180
181
182
183
184
185 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
186 \section{Simulation of the multisplitting method}
187 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
188 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. In this case, we apply a row-by-row splitting without overlapping  
189 \[
190 \left(\begin{array}{ccc}
191 A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
192 \vdots & \ddots & \vdots\\
193 A_{L1} & \cdots & A_{LL}
194 \end{array} \right)
195 \times 
196 \left(\begin{array}{c}
197 X_1 \\
198 \vdots\\
199 X_L
200 \end{array} \right)
201 =
202 \left(\begin{array}{c}
203 B_1 \\
204 \vdots\\
205 B_L
206 \end{array} \right)\] 
207 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$ are assigned to one cluster, where for all $l,m\in\{1,\ldots,L\}$ $A_{lm}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_l\times n_m$, $X_l$ and $B_l$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, of size $n_l$ each and $\sum_{l} n_l=\sum_{m} n_m=n$.
208
209 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
210 \begin{equation}
211 \left\{
212 \begin{array}{l}
213 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
214 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq l}}^{L}A_{lm}X_m
215 \end{array}
216 \right.
217 \label{eq:4.1}
218 \end{equation}
219 is solved independently by a cluster and communications are required to update the right-hand side sub-vector $Y_l$, such that the sub-vectors $X_m$ 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 algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most used iterative method by many researchers. 
220
221 \begin{algorithm}
222 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
223 \begin{algorithmic}[1]
224 \Input $A_l$ (sparse sub-matrix), $B_l$ (right-hand side sub-vector)
225 \Output $X_l$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
226 \State Load $A_l$, $B_l$
227 \State Set the initial guess $x^0$
228 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
229 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
230 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
231 \State Send shared elements of $X_l^{k+1}$ to neighboring clusters
232 \State Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq l}$
233 \EndFor
234
235 \Statex
236
237 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
238 \State Compute local right-hand side $Y_l$: \[Y_l = B_l - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1 \\m\neq l}}A_{lm}X_m^0\]
239 \State Solving sub-system $A_{ll}X_l^k=Y_l$ with the parallel GMRES method
240 \State \Return $X_l^k$
241 \EndFunction
242 \end{algorithmic}
243 \label{algo:01}
244 \end{algorithm}
245
246 Algorithm~\ref{algo:01} shows the main key points of the multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each cluster of processors. For all $l,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and vectors with the subscript $l$ represent the local data for cluster $l$, while $\{A_{lm}\}_{m\neq l}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix $A$ and $\{X_m\}_{m\neq l}$ contain vector elements of solution $x$ shared with neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous communications are performed between processors of the local cluster and those of distant clusters (lines $6$ and $7$ in Algorithm~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines. 
247
248 \begin{figure}
249 \centering
250   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
251 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
252 \label{fig:4.1}
253 \end{figure}
254
255 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the global convergence detection process as follows. On each cluster a master processor is designated (for example the processor with rank $1$) and masters of all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around the virtual ring from a master processor to another until the global convergence is achieved. So starting from the cluster with rank $1$, each master processor $i$ sets the token to {\it True} if the local convergence is achieved or to {\it False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the global convergence is detected when the master of cluster $1$ receives from the master of cluster $L$ a token set to {\it True}. In this case, the master of cluster $1$ broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work, the local convergence on each cluster $l$ is detected when the following condition is satisfied
256 \[(k\leq \MI) \mbox{~or~} (\|X_l^k - X_l^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)\]
257 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the tolerance threshold of the error computed between two successive local solution $X_l^k$ and $X_l^{k+1}$. 
258
259 \LZK{Description du processus d'adaptation de l'algo multisplitting à SimGrid}
260 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
261
262
263
264
265
266
267
268
269 \section{Experimental results}
270
271 When the ``real'' application runs in the simulation environment and produces
272 the expected results, varying the input parameters and the program arguments
273 allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
274 study that the results depend on the following parameters: (1) at the network
275 level, we found that the most critical values are the bandwidth (bw) and the
276 network latency (lat). (2) Hosts power (GFlops) can also influence on the
277 results. And finally, (3) when submitting job batches for execution, the
278 arguments values passed to the program like the maximum number of iterations or
279 the ``external'' precision are critical to ensure not only the convergence of the
280 algorithm but also to get the main objective of the experimentation of the
281 simulation in having an execution time in asynchronous less than in synchronous
282 mode, in others words, in having a ``speedup'' less than 1 (Speedup = Execution
283 time in synchronous mode / Execution time in asynchronous mode).
284
285 A priori, obtaining a speedup less than 1 would be difficult in a local area
286 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the rapid
287 exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology adopted
288 was to launch the application on clustered network. In this last configuration,
289 degrading the inter-cluster network performance will \emph{penalize} the synchronous
290 mode allowing to get a speedup lower than 1. This action simulates the case of
291 clusters linked with long distance network like Internet.
292
293 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
294 containing fifty hosts each, totaling one hundred hosts. Various combinations of
295 the above factors have providing the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a matrix size
296 ranging from Nx = Ny = Nz = 62 to 171 elements or from $62^{3} = \np{238328}$ to
297 $171^{3} = \np{5211000}$ entries.
298
299 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
300 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
301 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
302 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the speedups less than 1 with
303 a matrix size from 62 to 100 elements.
304
305 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
306 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
307
308 Note that the program was run with the following parameters:
309
310 \paragraph*{SMPI parameters}
311
312 \begin{itemize}
313         \item HOSTFILE: Hosts file description.
314         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
315 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
316 lat latency, \dots{}).
317 \end{itemize}
318
319
320 \paragraph*{Arguments of the program}
321
322 \begin{itemize}
323         \item Description of the cluster architecture;
324         \item Maximum number of internal and external iterations;
325         \item Internal and external precisions;
326         \item Matrix size NX, NY and NZ;
327         \item Matrix diagonal value = 6.0;
328         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
329 \end{itemize}
330
331 \begin{table}
332   \centering
333   \caption{2 clusters X 50 nodes}
334   \label{tab.cluster.2x50}
335   \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!}
336   \includegraphics[width=209pt]{img1.jpg}
337 \end{table}
338
339 \begin{table}
340   \centering
341   \caption{3 clusters X 33 nodes}
342   \label{tab.cluster.3x33}
343   \AG{Le fichier manque.}
344   \includegraphics[width=209pt]{img2.jpg}
345 \end{table}
346
347 \begin{table}
348   \centering
349   \caption{3 clusters X 67 nodes}
350   \label{tab.cluster.3x67}
351   \AG{Le fichier manque.}
352 %  \includegraphics[width=160pt]{img3.jpg}
353   \includegraphics[scale=0.5]{img3.jpg}
354 \end{table}
355
356 \paragraph*{Interpretations and comments}
357
358 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
359 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50} and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the
360 used parameters affecting the results have given a speedup less than 1, showing
361 the effectiveness of the asynchronous performance compared to the synchronous
362 mode.
363
364 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows that with a
365 deterioration of inter cluster network set with \np[Mbits/s]{5} of bandwidth, a latency
366 in order of a hundredth of a millisecond and a system power of one GFlops, an
367 efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is obtained for a matrix size of 62
368 elements. It is noticed that the result remains stable even if we vary the
369 external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By increasing the problem size up to 100
370 elements, it was necessary to increase the CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a
371 convergence of the algorithm with the same order of asynchronous mode efficiency.
372 Maintaining such a system power but this time, increasing network throughput
373 inter cluster up to \np[Mbits/s]{50}, the result of efficiency of about \np[\%]{40} is
374 obtained with high external  precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150
375 side elements.
376
377 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts, Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows
378 that it was difficult to have a combination which gives an efficiency of
379 asynchronous below \np[\%]{80}. Indeed, for a matrix size of 62 elements, equality
380 between the performance of the two modes (synchronous and asynchronous) is
381 achieved with an inter cluster of \np[Mbits/s]{10} and a latency of \np{E-1} ms. To
382 challenge an efficiency by \np[\%]{78} with a matrix size of 100 points, it was
383 necessary to degrade the inter cluster network bandwidth from 5 to 2 Mbit/s.
384
385 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
386 with 200 nodes in total. The convergence with a speedup of \np[\%]{90} was obtained
387 with a bandwidth of \np[Mbits/s]{1} as shown in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
388
389 \section{Conclusion}
390 CONCLUSION
391
392 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
393 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
394 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
395 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
396 reach the following three objectives: 
397
398 \newcounter{numberedCntD}
399 \begin{enumerate}
400 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
401 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
402 resources;
403 \item to ensure the algorithm convergence with a raisonnable time and 
404 iteration number ;
405 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
406 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
407 executing the algorithm in asynchronous mode.
408 \setcounter{numberedCntD}{\theenumi}
409 \end{enumerate}
410 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
411 speeder up to 40 \% than executing the algorithm in synchronous mode 
412 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
413 and more increasing size.
414
415  Several studies have already addressed the performance execution time of 
416 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
417 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
418 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
419 mode in a grid architecture. 
420
421 \section*{Acknowledgment}
422
423
424 The authors would like to thank\dots{}
425
426
427 % trigger a \newpage just before the given reference
428 % number - used to balance the columns on the last page
429 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
430 % the document is modified later
431 \bibliographystyle{IEEEtran}
432 \bibliography{hpccBib}
433
434 \end{document}
435
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