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