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Private GIT Repository
11-04-2014
[hpcc2014.git] / hpcc.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
3 \usepackage[T1]{fontenc}
4 \usepackage[utf8]{inputenc}
5 \usepackage{amsfonts,amssymb}
6 \usepackage{amsmath}
7 \usepackage{algorithm}
8 \usepackage{algpseudocode}
9 %\usepackage{amsthm}
10 \usepackage{graphicx}
11 \usepackage[american]{babel}
12 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
13 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
14 %\usepackage{hyperref}
15
16 \usepackage{url}
17 \DeclareUrlCommand\email{\urlstyle{same}}
18
19 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
20 \AtBeginDocument{%
21   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
22   \npthousandthpartsep{}}
23
24 \usepackage{xspace}
25 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
26 \newcommand{\AG}[2][inline]{%
27   \todo[color=green!50,#1]{\sffamily\textbf{AG:} #2}\xspace}
28 \newcommand{\RC}[2][inline]{%
29   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{RC:} #2}\xspace}
30 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
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 and
49     David Laiymani and
50     Arnaud Giersch and
51     Lilia Ziane Khodja and
52     Raphaël Couturier
53   }
54   \IEEEauthorblockA{%
55     Femto-ST Institute - DISC Department\\
56     Université de Franche-Comté\\
57     Belfort\\
58     Email: \email{{raphael.couturier,arnaud.giersch,david.laiymani,charles.ramamonjisoa}@univ-fcomte.fr}
59   }
60 }
61
62 \maketitle
63
64 \RC{Ordre des autheurs pas définitif.}
65 \LZK{Adresse de Lilia: Inria Bordeaux Sud-Ouest, 200 Avenue de la Vieille Tour, 33405 Talence Cedex, France \\ Email: lilia.ziane@inria.fr}
66 \begin{abstract}
67 The abstract goes here.
68 \end{abstract}
69
70 \section{Introduction}
71
72 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming 
73 more and more imperative for solving various problems raised by 
74 researchers on various scientific disciplines but also by industrial in 
75 the field. Indeed, the increasing complexity of these requested 
76 applications combined with a continuous increase of their sizes lead to 
77 write distributed and parallel algorithms requiring significant hardware 
78 resources (grid computing, clusters, broadband network, etc\dots{}) but
79 also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a
80 class of highly efficient parallel algorithms called iterative executed 
81 in a distributed environment. As their name suggests, these algorithm 
82 solves a given problem that might be NP- complete complex by successive 
83 iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value $X_{0}$ to find
84 an approximate value $X^*$ of the solution with a very low
85 residual error. Several well-known methods demonstrate the convergence 
86 of these algorithms. Generally, to reduce the complexity and the 
87 execution time, the problem is divided into several \emph{pieces} that will
88 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will 
89 communicate each intermediate results before a new iteration starts 
90 until the approximate solution is reached. These distributed parallel 
91 computations can be performed either in \emph{synchronous} communication mode
92 where a new iteration begin only when all nodes communications are 
93 completed, either \emph{asynchronous} mode where processors can continue
94 independently without or few synchronization points. Despite the 
95 effectiveness of iterative approach, a major drawback of the method is 
96 the requirement of huge resources in terms of computing capacity, 
97 storage and high speed communication network. Indeed, limited physical 
98 resources are blocking factors for large-scale deployment of parallel 
99 algorithms. 
100
101 In recent years, the use of a simulation environment to execute parallel 
102 iterative algorithms found some interests in reducing the highly cost of 
103 access to computing resources: (1) for the applications development life 
104 cycle and in code debugging (2) and in production to get results in a 
105 reasonable execution time with a simulated infrastructure not accessible 
106 with physical resources. Indeed, the launch of distributed iterative 
107 asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale 
108 simulated environment challenges to find optimal configurations giving 
109 the best results with a lowest residual error and in the best of 
110 execution time. According our knowledge, no testing of large-scale 
111 simulation of the class of algorithm solving to achieve real results has 
112 been undertaken to date. We had in the scope of this work implemented a 
113 program for solving large non-symmetric linear system of equations by 
114 numerical method GMRES (Generalized Minimal Residual) in the simulation
115 environment SimGrid. The simulated platform had allowed us to launch
116 the application from a modest computing infrastructure by simulating 
117 different distributed architectures composed by clusters nodes 
118 interconnected by variable speed networks. In addition, it has been 
119 permitted to show the effectiveness of asynchronous mode algorithm by 
120 comparing its performance with the synchronous mode time. With selected 
121 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster 
122 network) and on the clusters architecture (number, capacity calculation 
123 power) in the simulated environment, the experimental results have
124 demonstrated not only the algorithm convergence within a reasonable time 
125 compared with the physical environment performance, but also a time 
126 saving of up to \np[\%]{40} in asynchronous mode.
127
128 This article is structured as follows: after this introduction, the next 
129 section will give a brief description of iterative asynchronous model. 
130 Then, the simulation framework SimGrid will be presented with the
131 settings to create various distributed architectures. The algorithm of 
132 the multi -splitting method used by GMRES written with MPI primitives 
133 and its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) will be in the
134 next section. At last, the experiments results carried out will be
135 presented before the conclusion which we will announce the opening of 
136 our future work after the results.
137  
138 \section{The asynchronous iteration model}
139
140 Décrire le modèle asynchrone. Je m'en charge (DL)
141
142 \section{SimGrid}
143
144 Décrire SimGrid~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} (Arnaud)
145
146
147
148
149
150
151
152 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
153 \section{Simulation of the multisplitting method}
154 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
155 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  
156 \[
157 \left(\begin{array}{ccc}
158 A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
159 \vdots & \ddots & \vdots\\
160 A_{L1} & \cdots & A_{LL}
161 \end{array} \right)
162 \times 
163 \left(\begin{array}{c}
164 X_1 \\
165 \vdots\\
166 X_L
167 \end{array} \right)
168 =
169 \left(\begin{array}{c}
170 B_1 \\
171 \vdots\\
172 B_L
173 \end{array} \right)\] 
174 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, each of size $n_l$ and $\sum_{l} n_l=\sum_{m} n_m=n$.
175
176 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
177 \begin{equation}
178 \left\{
179 \begin{array}{l}
180 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
181 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq l}}^{L}A_{lm}X_m
182 \end{array}
183 \right.
184 \label{eq:4.1}
185 \end{equation}
186 is solved independently by a cluster and communication 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. 
187
188 \begin{algorithm}
189 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
190 \begin{algorithmic}[1]
191 \Input $A_l$ (sparse sub-matrix), $B_l$ (right-hand side sub-vector)
192 \Output $X_l$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
193 \State Load $A_l$, $B_l$
194 \State Initialize the solution vector $x^0$
195 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
196 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
197 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
198 \State Send shared elements of $X_l^{k+1}$ to neighboring clusters
199 \State Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq l}$
200 \EndFor
201
202 \Statex
203
204 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
205 \State Compute local right-hand side $Y_l$: \[Y_l = B_l - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1 \\m\neq l}}A_{lm}X_m^0\]
206 \State Solving sub-system $A_{ll}X_l^k=Y_l$ with the parallel GMRES method
207 \State \Return $X_l^k$
208 \EndFunction
209 \end{algorithmic}
210 \label{algo:01}
211 \end{algorithm}
212
213 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. 
214
215 \begin{figure}
216 \centering
217   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
218 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
219 \label{fig:4.1}
220 \end{figure}
221
222 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 $1$ receive from the master of cluster $L$ a token set to {\it True}. In this case, the master of cluster $1$ sends 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
223 \[(k\leq \MI) \mbox{~or~} (\|X_l^k - X_l^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)\]
224 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 $X_l^{k+1}$. 
225
226 \LZK{Description du processus d'adaptation de l'algo multisplitting à SimGrid}
227 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
228
229
230
231
232
233
234
235
236 \section{Experimental results}
237
238 When the ``real'' application runs in the simulation environment and produces
239 the expected results, varying the input parameters and the program arguments
240 allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
241 study that the results depend on the following parameters: (1) at the network
242 level, we found that the most critical values are the bandwidth (bw) and the
243 network latency (lat). (2) Hosts power (GFlops) can also influence on the
244 results. And finally, (3) when submitting job batches for execution, the
245 arguments values passed to the program like the maximum number of iterations or
246 the ``external'' precision are critical to ensure not only the convergence of the
247 algorithm but also to get the main objective of the experimentation of the
248 simulation in having an execution time in asynchronous less than in synchronous
249 mode, in others words, in having a ``speedup'' less than 1 (Speedup = Execution
250 time in synchronous mode / Execution time in asynchronous mode).
251
252 A priori, obtaining a speedup less than 1 would be difficult in a local area
253 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the rapid
254 exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology adopted
255 was to launch the application on clustered network. In this last configuration,
256 degrading the inter-cluster network performance will \emph{penalize} the synchronous
257 mode allowing to get a speedup lower than 1. This action simulates the case of
258 clusters linked with long distance network like Internet.
259
260 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
261 containing fifty hosts each, totaling one hundred hosts. Various combinations of
262 the above factors have providing the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a matrix size
263 ranging from Nx = Ny = Nz = 62 to 171 elements or from $62^{3} = \np{238328}$ to
264 $171^{3} = \np{5211000}$ entries.
265
266 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
267 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
268 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
269 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the speedups less than 1 with
270 a matrix size from 62 to 100 elements.
271
272 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
273 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
274
275 Note that the program was run with the following parameters:
276
277 \paragraph*{SMPI parameters}
278
279 \begin{itemize}
280         \item HOSTFILE: Hosts file description.
281         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
282 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
283 lat latency, \dots{}).
284 \end{itemize}
285
286
287 \paragraph*{Arguments of the program}
288
289 \begin{itemize}
290         \item Description of the cluster architecture;
291         \item Maximum number of internal and external iterations;
292         \item Internal and external precisions;
293         \item Matrix size NX, NY and NZ;
294         \item Matrix diagonal value = 6.0;
295         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
296 \end{itemize}
297
298 \begin{table}
299   \centering
300   \caption{2 clusters X 50 nodes}
301   \label{tab.cluster.2x50}
302   \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!}
303   \includegraphics[width=209pt]{img1.jpg}
304 \end{table}
305
306 \begin{table}
307   \centering
308   \caption{3 clusters X 33 nodes}
309   \label{tab.cluster.3x33}
310   \AG{Le fichier manque.}
311   \includegraphics[width=209pt]{img2.jpg}
312 \end{table}
313
314 \begin{table}
315   \centering
316   \caption{3 clusters X 67 nodes}
317   \label{tab.cluster.3x67}
318   \AG{Le fichier manque.}
319 %  \includegraphics[width=160pt]{img3.jpg}
320   \includegraphics[scale=0.5]{img3.jpg}
321 \end{table}
322
323 \paragraph*{Interpretations and comments}
324
325 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
326 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50} and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the
327 used parameters affecting the results have given a speedup less than 1, showing
328 the effectiveness of the asynchronous performance compared to the synchronous
329 mode.
330
331 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows that with a
332 deterioration of inter cluster network set with \np[Mbits/s]{5} of bandwidth, a latency
333 in order of a hundredth of a millisecond and a system power of one GFlops, an
334 efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is obtained for a matrix size of 62
335 elements. It is noticed that the result remains stable even if we vary the
336 external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By increasing the problem size up to 100
337 elements, it was necessary to increase the CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a
338 convergence of the algorithm with the same order of asynchronous mode efficiency.
339 Maintaining such a system power but this time, increasing network throughput
340 inter cluster up to \np[Mbits/s]{50}, the result of efficiency of about \np[\%]{40} is
341 obtained with high external  precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150
342 side elements.
343
344 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts, Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows
345 that it was difficult to have a combination which gives an efficiency of
346 asynchronous below \np[\%]{80}. Indeed, for a matrix size of 62 elements, equality
347 between the performance of the two modes (synchronous and asynchronous) is
348 achieved with an inter cluster of \np[Mbits/s]{10} and a latency of \np{E-1} ms. To
349 challenge an efficiency by \np[\%]{78} with a matrix size of 100 points, it was
350 necessary to degrade the inter cluster network bandwidth from 5 to 2 Mbit/s.
351
352 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more power
353 with 200 nodes in total. The convergence with a speedup of \np[\%]{90} was obtained
354 with a bandwidth of \np[Mbits/s]{1} as shown in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
355
356 \section{Conclusion}
357
358 \section*{Acknowledgment}
359
360
361 The authors would like to thank\dots{}
362
363
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365 % number - used to balance the columns on the last page
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367 % the document is modified later
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