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Private GIT Repository
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[hpcc2014.git] / hpcc.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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6 \usepackage{amsmath}
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8 \usepackage{algpseudocode}
9 %\usepackage{amsthm}
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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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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}
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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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32 \newcommand{\RC}[2][inline]{%
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 ABSTRACT
75
76 In recent years, the scalability of large-scale implementation in a 
77 distributed environment of algorithms becoming more and more complex has 
78 always been hampered by the limits of physical computing resources 
79 capacity. One solution is to run the program in a virtual environment 
80 simulating a real interconnected computers architecture. The results are 
81 convincing and useful solutions are obtained with far fewer resources 
82 than in a real platform. However, challenges remain for the convergence 
83 and efficiency of a class of algorithms that concern us here, namely 
84 numerical parallel iterative algorithms executed in asynchronous mode, 
85 especially in a large scale level. Actually, such algorithm requires a 
86 balance and a compromise between computation and communication time 
87 during the execution. Two important factors determine the success of the 
88 experimentation: the convergence of the iterative algorithm on a large 
89 scale and the execution time reduction in asynchronous mode. Once again, 
90 from the current work, a simulated environment like Simgrid provides 
91 accurate results which are difficult or even impossible to obtain in a 
92 physical platform by exploiting the flexibility of the simulator on the 
93 computing units clusters and the network structure design. Our 
94 experimental outputs showed a saving of up to \np[\%]{40} for the algorithm
95 execution time in asynchronous mode compared to the synchronous one with 
96 a residual precision up to \np{E-11}. Such successful results open
97 perspectives on experimentations for running the algorithm on a 
98 simulated large scale growing environment and with larger problem size. 
99
100 % no keywords for IEEE conferences
101 % Keywords: Algorithm distributed iterative asynchronous simulation simgrid
102 \end{abstract}
103
104 \section{Introduction}
105
106 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming 
107 more and more imperative for solving various problems raised by 
108 researchers on various scientific disciplines but also by industrial in 
109 the field. Indeed, the increasing complexity of these requested 
110 applications combined with a continuous increase of their sizes lead to 
111 write distributed and parallel algorithms requiring significant hardware 
112 resources (grid computing, clusters, broadband network, etc\dots{}) but
113 also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a
114 class of highly efficient parallel algorithms called iterative executed 
115 in a distributed environment. As their name suggests, these algorithm 
116 solves a given problem that might be NP- complete complex by successive 
117 iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value $X_{0}$ to find
118 an approximate value $X^*$ of the solution with a very low
119 residual error. Several well-known methods demonstrate the convergence 
120 of these algorithms. Generally, to reduce the complexity and the 
121 execution time, the problem is divided into several \emph{pieces} that will
122 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will 
123 communicate each intermediate results before a new iteration starts 
124 until the approximate solution is reached. These distributed parallel 
125 computations can be performed either in \emph{synchronous} communication mode
126 where a new iteration begin only when all nodes communications are 
127 completed, either \emph{asynchronous} mode where processors can continue
128 independently without or few synchronization points. Despite the 
129 effectiveness of iterative approach, a major drawback of the method is 
130 the requirement of huge resources in terms of computing capacity, 
131 storage and high speed communication network. Indeed, limited physical 
132 resources are blocking factors for large-scale deployment of parallel 
133 algorithms. 
134
135 In recent years, the use of a simulation environment to execute parallel 
136 iterative algorithms found some interests in reducing the highly cost of 
137 access to computing resources: (1) for the applications development life 
138 cycle and in code debugging (2) and in production to get results in a 
139 reasonable execution time with a simulated infrastructure not accessible 
140 with physical resources. Indeed, the launch of distributed iterative 
141 asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale 
142 simulated environment challenges to find optimal configurations giving 
143 the best results with a lowest residual error and in the best of 
144 execution time. According our knowledge, no testing of large-scale 
145 simulation of the class of algorithm solving to achieve real results has 
146 been undertaken to date. We had in the scope of this work implemented a 
147 program for solving large non-symmetric linear system of equations by 
148 numerical method GMRES (Generalized Minimal Residual) in the simulation
149 environment SimGrid. The simulated platform had allowed us to launch
150 the application from a modest computing infrastructure by simulating 
151 different distributed architectures composed by clusters nodes 
152 interconnected by variable speed networks. In addition, it has been 
153 permitted to show the effectiveness of asynchronous mode algorithm by 
154 comparing its performance with the synchronous mode time. With selected 
155 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster 
156 network) and on the clusters architecture (number, capacity calculation 
157 power) in the simulated environment, the experimental results have
158 demonstrated not only the algorithm convergence within a reasonable time 
159 compared with the physical environment performance, but also a time 
160 saving of up to \np[\%]{40} in asynchronous mode.
161
162 This article is structured as follows: after this introduction, the next 
163 section will give a brief description of iterative asynchronous model. 
164 Then, the simulation framework SimGrid will be presented with the
165 settings to create various distributed architectures. The algorithm of 
166 the multi -splitting method used by GMRES written with MPI primitives 
167 and its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) will be in the
168 next section. At last, the experiments results carried out will be
169 presented before the conclusion which we will announce the opening of 
170 our future work after the results.
171  
172 \section{The asynchronous iteration model}
173
174 \DL{Décrire le modèle asynchrone. Je m'en charge}
175
176 \section{SimGrid}
177
178 \AG{Décrire SimGrid~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} (Arnaud)}
179
180
181 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
182 \section{Simulation of the multisplitting method}
183 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
184 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  
185 \[
186 \left(\begin{array}{ccc}
187 A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
188 \vdots & \ddots & \vdots\\
189 A_{L1} & \cdots & A_{LL}
190 \end{array} \right)
191 \times 
192 \left(\begin{array}{c}
193 X_1 \\
194 \vdots\\
195 X_L
196 \end{array} \right)
197 =
198 \left(\begin{array}{c}
199 B_1 \\
200 \vdots\\
201 B_L
202 \end{array} \right)\] 
203 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 $\sum_{l} n_l=\sum_{m} n_m=n$.
204
205 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
206 \begin{equation}
207 \left\{
208 \begin{array}{l}
209 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
210 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq l}}^{L}A_{lm}X_m
211 \end{array}
212 \right.
213 \label{eq:4.1}
214 \end{equation}
215 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. 
216
217 \begin{algorithm}
218 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
219 \begin{algorithmic}[1]
220 \Input $A_l$ (sparse sub-matrix), $B_l$ (right-hand side sub-vector)
221 \Output $X_l$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
222 \State Load $A_l$, $B_l$
223 \State Set the initial guess $x^0$
224 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
225 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
226 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
227 \State Send shared elements of $X_l^{k+1}$ to neighboring clusters
228 \State Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq l}$
229 \EndFor
230
231 \Statex
232
233 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
234 \State Compute local right-hand side $Y_l$: \[Y_l = B_l - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1 \\m\neq l}}A_{lm}X_m^0\]
235 \State Solving sub-system $A_{ll}X_l^k=Y_l$ with the parallel GMRES method
236 \State \Return $X_l^k$
237 \EndFunction
238 \end{algorithmic}
239 \label{algo:01}
240 \end{algorithm}
241
242 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. 
243
244 \begin{figure}
245 \centering
246   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
247 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
248 \label{fig:4.1}
249 \end{figure}
250
251 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
252 \[(k\leq \MI) \mbox{~or~} (\|X_l^k - X_l^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)\]
253 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 $X_l^{k+1}$. 
254
255 \LZK{Description du processus d'adaptation de l'algo multisplitting à SimGrid}
256 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
257
258
259
260
261
262
263
264
265 \section{Experimental results}
266
267 When the ``real'' application runs in the simulation environment and produces
268 the expected results, varying the input parameters and the program arguments
269 allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
270 study that the results depend on the following parameters: (1) at the network
271 level, we found that the most critical values are the bandwidth (bw) and the
272 network latency (lat). (2) Hosts power (GFlops) can also influence on the
273 results. And finally, (3) when submitting job batches for execution, the
274 arguments values passed to the program like the maximum number of iterations or
275 the ``external'' precision are critical to ensure not only the convergence of the
276 algorithm but also to get the main objective of the experimentation of the
277 simulation in having an execution time in asynchronous less than in synchronous
278 mode, in others words, in having a ``speedup'' less than 1 (Speedup = Execution
279 time in synchronous mode / Execution time in asynchronous mode).
280
281 A priori, obtaining a speedup less than 1 would be difficult in a local area
282 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the rapid
283 exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology adopted
284 was to launch the application on clustered network. In this last configuration,
285 degrading the inter-cluster network performance will \emph{penalize} the synchronous
286 mode allowing to get a speedup lower than 1. This action simulates the case of
287 clusters linked with long distance network like Internet.
288
289 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
290 containing fifty hosts each, totaling one hundred hosts. Various combinations of
291 the above factors have providing the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a matrix size
292 ranging from Nx = Ny = Nz = 62 to 171 elements or from $62^{3} = \np{238328}$ to
293 $171^{3} = \np{5211000}$ entries.
294
295 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
296 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
297 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
298 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the speedups less than 1 with
299 a matrix size from 62 to 100 elements.
300
301 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
302 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
303
304 Note that the program was run with the following parameters:
305
306 \paragraph*{SMPI parameters}
307
308 \begin{itemize}
309         \item HOSTFILE: Hosts file description.
310         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
311 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
312 lat latency, \dots{}).
313 \end{itemize}
314
315
316 \paragraph*{Arguments of the program}
317
318 \begin{itemize}
319         \item Description of the cluster architecture;
320         \item Maximum number of internal and external iterations;
321         \item Internal and external precisions;
322         \item Matrix size NX, NY and NZ;
323         \item Matrix diagonal value = 6.0;
324         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
325 \end{itemize}
326
327 \begin{table}
328   \centering
329   \caption{2 clusters X 50 nodes}
330   \label{tab.cluster.2x50}
331   \AG{Ces tableaux (\ref{tab.cluster.2x50}, \ref{tab.cluster.3x33} et
332     \ref{tab.cluster.3x67}) sont affreux. Utiliser un format vectoriel (eps ou
333     pdf) ou, mieux, les réécrire en \LaTeX{}. Réécrire les légendes proprement
334     également (\texttt{\textbackslash{}times} au lieu de \texttt{X} par ex.)}
335   \includegraphics[width=209pt]{img1.jpg}
336 \end{table}
337
338 \begin{table}
339   \centering
340   \caption{3 clusters X 33 nodes}
341   \label{tab.cluster.3x33}
342   \AG{Refaire le tableau.}
343   \includegraphics[width=209pt]{img2.jpg}
344 \end{table}
345
346 \begin{table}
347   \centering
348   \caption{3 clusters X 67 nodes}
349   \label{tab.cluster.3x67}
350   \AG{Refaire le tableau.}
351 %  \includegraphics[width=160pt]{img3.jpg}
352   \includegraphics[scale=0.5]{img3.jpg}
353 \end{table}
354
355 \paragraph*{Interpretations and comments}
356
357 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
358 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50} and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the
359 used parameters affecting the results have given a speedup less than 1, showing
360 the effectiveness of the asynchronous performance compared to the synchronous
361 mode.
362
363 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows that with a
364 deterioration of inter cluster network set with \np[Mbits/s]{5} of bandwidth, a latency
365 in order of a hundredth of a millisecond and a system power of one GFlops, an
366 efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is obtained for a matrix size of 62
367 elements. It is noticed that the result remains stable even if we vary the
368 external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By increasing the problem size up to 100
369 elements, it was necessary to increase the CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a
370 convergence of the algorithm with the same order of asynchronous mode efficiency.
371 Maintaining such a system power but this time, increasing network throughput
372 inter cluster up to \np[Mbits/s]{50}, the result of efficiency of about \np[\%]{40} is
373 obtained with high external  precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150
374 side elements.
375
376 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts, Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows
377 that it was difficult to have a combination which gives an efficiency of
378 asynchronous below \np[\%]{80}. Indeed, for a matrix size of 62 elements, equality
379 between the performance of the two modes (synchronous and asynchronous) is
380 achieved with an inter cluster of \np[Mbits/s]{10} and a latency of \np[ms]{E-1}. To
381 challenge an efficiency by \np[\%]{78} with a matrix size of 100 points, it was
382 necessary to degrade the inter cluster network bandwidth from 5 to 2 Mbit/s.
383
384 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
385 with 200 nodes in total. The convergence with a speedup of \np[\%]{90} was obtained
386 with a bandwidth of \np[Mbits/s]{1} as shown in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
387
388 \section{Conclusion}
389 CONCLUSION
390
391 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
392 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
393 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
394 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
395 reach the following three objectives: 
396
397 \newcounter{numberedCntD}
398 \begin{enumerate}
399 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
400 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
401 resources;
402 \item to ensure the algorithm convergence with a raisonnable time and 
403 iteration number ;
404 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
405 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
406 executing the algorithm in asynchronous mode.
407 \setcounter{numberedCntD}{\theenumi}
408 \end{enumerate}
409 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
410 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
411 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
412 and more increasing size.
413
414  Several studies have already addressed the performance execution time of 
415 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
416 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
417 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
418 mode in a grid architecture. 
419
420 \section*{Acknowledgment}
421
422
423 The authors would like to thank\dots{}
424
425
426 % trigger a \newpage just before the given reference
427 % number - used to balance the columns on the last page
428 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
429 % the document is modified later
430 \bibliographystyle{IEEEtran}
431 \bibliography{hpccBib}
432
433 \end{document}
434
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