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Private GIT Repository
Concluding sentence.
[hpcc2014.git] / hpcc.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
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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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20 \AtBeginDocument{%
21   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
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36
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39
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41 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
42
43 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
44 \newcommand{\Time}[1]{\mathit{Time}_\mathit{#1}}
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  which let us easily choose  some parameters.   Both  codes  are real  MPI
85 codes and simulations allow us to see when the asynchronous 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 involves the division of the problem
106 into  several  \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple
107 processing units. The latter will communicate each intermediate results before a
108 new  iteration starts  and until  the  approximate solution  is reached.   These
109 parallel computations can be performed either in \emph{synchronous} mode where a
110 new iteration  begins only  when all nodes  communications are completed,  or in
111 \emph{asynchronous}  mode where  processors can  continue independently  with no
112 synchronization points~\cite{bcvc06:ij}. In this case, local computations do not
113 need to  wait for  required data. Processors  can then perform  their iterations
114 with the  data present at that time.  Even if the number  of iterations required
115 before  the convergence  is generally  greater  than for  the synchronous  case,
116 asynchronous  iterative algorithms  can significantly  reduce  overall execution
117 times by  suppressing idle  times due to  synchronizations especially in  a grid
118 computing context (see~\cite{Bahi07} for more details).
119
120 Parallel applications  based on a (synchronous or  asynchronous) iteration model
121 may have different configuration and deployment requirements.  Quantifying their
122 resource  allocation  policies and  application  scheduling  algorithms in  grid
123 computing environments under varying load,  CPU power and network speeds is very
124 costly,       very        labor       intensive       and        very       time
125 consuming~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.   The case  of asynchronous
126 iterative algorithms  is even more problematic  since they are  very sensible to
127 the  execution environment  context.  For instance,  variations  in the  network
128 bandwidth (intra and  inter-clusters), in the number and the  power of nodes, in
129 the number  of clusters\dots{} can lead  to very different  number of iterations
130 and so  to very  different execution times.   Then, it  appears that the  use of
131 simulation tools to explore various  platform scenarios and to run large numbers
132 of  experiments quickly  can  be very  promising.  In  this  way, the  use of  a
133 simulation  environment  to execute  parallel  iterative  algorithms found  some
134 interests in reducing the highly cost  of access to computing resources: (1) for
135 the  applications  development life  cycle  and in  code  debugging  (2) and  in
136 production  to get  results  in a  reasonable  execution time  with a  simulated
137 infrastructure not  accessible with physical  resources.  Indeed, the  launch of
138 distributed  iterative asynchronous  algorithms to  solve a  given problem  on a
139 large-scale  simulated  environment challenges  to  find optimal  configurations
140 giving  the best  results  with  a lowest  residual  error and  in  the best  of
141 execution time.
142
143
144 To our knowledge,  there is no existing work on the  large-scale simulation of a
145 real asynchronous  iterative application.  {\bf The contribution  of the present
146   paper can be  summarized in two main points}.  First we  give a first approach
147 of the simulation  of asynchronous iterative algorithms using  a simulation tool
148 (i.e.    the   SimGrid   toolkit~\cite{SimGrid}).    Second,  we   confirm   the
149 effectiveness  of the  asynchronous  multisplitting algorithm  by comparing  its
150 performance   with  the   synchronous  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual) method
151 \cite{ref1}.  Both  these codes can  be used to  solve large linear  systems. In
152 this  paper, we  focus  on  a 3D  Poisson  problem.  We  show,  that with  minor
153 modifications of the initial MPI code,  the SimGrid toolkit allows us to perform
154 a  test campaign  of  a  real asynchronous  iterative  application on  different
155 computing architectures.
156 % The  simulated results  we
157 %obtained are  in line with real  results exposed in  ??\AG[]{ref?}. 
158 SimGrid  had  allowed us  to  launch the  application  from  a modest  computing
159 infrastructure  by simulating  different distributed  architectures  composed by
160 clusters  nodes interconnected by  variable speed  networks.  Parameters  of the
161 network  platforms  are   the  bandwidth  and  the  latency   of  inter  cluster
162 network. Parameters on the cluster's architecture are the number of machines and
163 the  computation power  of a  machine.  Simulations show  that the  asynchronous
164 multisplitting algorithm  can solve the  3D Poisson problem  approximately twice
165 faster than GMRES with two distant clusters. In this way, we present an original solution to optimize the use of a simulation 
166 tool to run efficiently an  asynchronous iterative parallel algorithm in a grid architecture
167
168
169
170 This article is structured as follows: after this introduction, the next section
171 will  give a  brief  description  of iterative  asynchronous  model.  Then,  the
172 simulation framework  SimGrid is presented  with the settings to  create various
173 distributed architectures.  Then, the  multisplitting method is presented, it is
174 based  on GMRES to  solve each  block obtained  of the  splitting. This  code is
175 written with MPI  primitives and its adaptation to  SimGrid with SMPI (Simulated
176 MPI) is  detailed in the next  section. At last, the  simulation results carried
177 out will be presented before some concluding remarks and future works.
178
179  
180 \section{Motivations and scientific context}
181
182 As exposed in  the introduction, parallel iterative methods  are now widely used
183 in  many scientific  domains.   They can  be  classified in  three main  classes
184 depending on  how iterations  and communications are  managed (for  more details
185 readers  can refer  to~\cite{bcvc06:ij}). In  the synchronous  iterations model,
186 data are exchanged  at the end of each iteration. All  the processors must begin
187 the same iteration  at the same time and important idle  times on processors are
188 generated.  It is possible to use asynchronous communications, in this case, the
189 model can be  compared to the previous one except that  data required on another
190 processor are  sent asynchronously i.e.  without  stopping current computations.
191 This technique  allows to partially  overlap communications by  computations but
192 unfortunately, the overlapping is only  partial and important idle times remain.
193 It is clear that, in a grid computing context, where the number of computational
194 nodes is large,  heterogeneous and widely distributed, the  idle times generated
195 by synchronizations are very penalizing. One  way to overcome this problem is to
196 use the asynchronous iterations model.   Here, local computations do not need to
197 wait for  required data. Processors can  then perform their  iterations with the
198 data present  at that time.  Figure~\ref{fig:aiac} illustrates  this model where
199 the gray blocks represent the  computation phases.  With this algorithmic model,
200 the number  of iterations required  before the convergence is  generally greater
201 than  for the  two former  classes.  But,  and as  detailed in~\cite{bcvc06:ij},
202 asynchronous  iterative algorithms  can significantly  reduce  overall execution
203 times by  suppressing idle  times due to  synchronizations especially in  a grid
204 computing context.
205
206 \begin{figure}[!t]
207   \centering
208     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
209   \caption{The asynchronous iterations model}
210   \label{fig:aiac}
211 \end{figure}
212
213
214 %% It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
215 %% heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
216 %% engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
217 %% these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
218 %% novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
219 %% the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
220 %% large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
221 %% context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
222 %% scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
223 %% promising. Several works\dots{}
224
225 %% \AG{Several works\dots{} what?\\
226 %  Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
227 In the context of asynchronous algorithms, the number of iterations to reach the
228 convergence depends on  the delay of messages. With  synchronous iterations, the
229 number of  iterations is exactly  the same than  in the sequential mode  (if the
230 parallelization process does  not change the algorithm). So  the difficulty with
231 asynchronous iterative algorithms comes from the fact it is necessary to run the algorithm
232 with real data. In fact, from an execution to another the order of messages will
233 change and the  number of iterations to reach the  convergence will also change.
234 According  to all  the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of
235 nodes,  inter  and  intra clusrters  bandwith  and  latency, etc.) and  of  the
236 algorithm  (number   of  splittings  with  the   multisplitting  algorithm),  the
237 multisplitting code  will obtain the solution  more or less  quickly. Of course,
238 the GMRES method also depends of the same parameters. As it is difficult to have
239 access to  many clusters,  grids or supercomputers  with many  different network
240 parameters,  it  is  interesting  to  be  able  to  simulate  the  behaviors  of
241 asynchronous iterative algoritms before being able to runs real experiments.
242
243
244
245
246
247
248 \section{SimGrid}
249
250 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
251 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
252 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
253 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
254 date from 1999, but it is still actively developed and distributed as an open
255 source software.  Today, it is one of the major generic tools in the field of
256 simulation for large-scale distributed systems.
257
258 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
259 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
260 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
261 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
262 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work exposed in
263 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
264 standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
265 applications written in C or Fortran, with little or no modifications.
266
267 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
268 single process.  The application code is really executed, but some operations
269 like the communications are intercepted, and their running time is computed
270 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
271 description of this target platform is given as an input for the execution, by
272 the mean of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
273 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
274 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
275 simulated processes, as well as the simulated running time of the application is
276 computed according to these properties.
277
278 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
279 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
280 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows to run relatively fast
281 simulations, while still keeping accurate
282 results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
283   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
284 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
285 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
286 skipped, but the results have no importance for the simulation results, there is
287 also the possibility to share dynamically allocated data structures between
288 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
289 These two techniques can help to run simulations at a very large scale.
290
291 The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
292 See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
293 referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
294 real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
295 SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
296   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
297   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
298 SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
299 applications.
300
301
302 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
303 \section{Simulation of the multisplitting method}
304
305 \subsection{The multisplitting method}
306 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
307 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  
308 \begin{equation*}
309   \left(\begin{array}{ccc}
310       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
311       \vdots & \ddots & \vdots\\
312       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
313     \end{array} \right)
314   \times
315   \left(\begin{array}{c}
316       X_1 \\
317       \vdots\\
318       X_L
319     \end{array} \right)
320   =
321   \left(\begin{array}{c}
322       B_1 \\
323       \vdots\\
324       B_L
325     \end{array} \right)
326 \end{equation*}
327 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$
328 are assigned to one cluster, where for all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, $A_{\ell
329   m}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_\ell\times n_m$, $X_\ell$ and
330 $B_\ell$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, of size $n_\ell$ each,
331 and $\sum_{\ell} n_\ell=\sum_{m} n_m=n$.
332
333 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
334 \begin{equation}
335   \label{eq:4.1}
336   \left\{
337     \begin{array}{l}
338       A_{\ell\ell}X_\ell = Y_\ell \text{, such that}\\
339       Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m
340     \end{array}
341   \right.
342 \end{equation}
343 is solved independently by a cluster and communications are required to update
344 the right-hand side sub-vector $Y_\ell$, such that the sub-vectors $X_m$
345 represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system
346 (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our
347 multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is
348 easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we
349 use the parallel algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most
350 used iterative method by many researchers.
351
352 \begin{figure}[!t]
353   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
354   %%% instead
355 \begin{algorithmic}[1]
356 \Input $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
357 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\medskip
358
359 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
360 \State Set the initial guess $x^0$
361 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
362 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
363 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
364 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_\ell^{k+1}$ to neighboring clusters
365 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq \ell}$
366 \EndFor
367
368 \Statex
369
370 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
371 \State Compute local right-hand side $Y_\ell$:
372        \begin{equation*}
373          Y_\ell = B_\ell - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0
374        \end{equation*}
375 \State Solving sub-system $A_{\ell\ell}X_\ell^k=Y_\ell$ with the parallel GMRES method
376 \State \Return $X_\ell^k$
377 \EndFunction
378 \end{algorithmic}
379 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
380 \label{algo:01}
381 \end{figure}
382
383 Algorithm on Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
384 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
385 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
386 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
387 cluster of processors. For all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and
388 vectors with the subscript $\ell$ represent the local data for cluster $\ell$,
389 while $\{A_{\ell m}\}_{m\neq \ell}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix
390 $A$ and $\{X_m\}_{m\neq \ell}$ contain vector elements of solution $x$ shared
391 with neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous
392 communications are performed between processors of the local cluster and those
393 of distant clusters (lines~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in
394 Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are
395 exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
396
397 \begin{figure}[!t]
398 \centering
399   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
400 \caption{Example of three distant clusters of processors.}
401 \label{fig:4.1}
402 \end{figure}
403
404 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
405 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
406 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
407 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
408 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
409 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
410 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
411 is achieved. So starting from the cluster with rank 1, each master processor $\ell$
412 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
413 \textit{False} otherwise, and sends it to master processor $\ell+1$. Finally, the
414 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
415 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
416 cluster 1 broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work,
417 the local convergence on each cluster $\ell$ is detected when the following
418 condition is satisfied
419 \begin{equation*}
420   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_\ell^k - X_\ell^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
421 \end{equation*}
422 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
423 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
424 $X_\ell^k$ and $X_\ell^{k+1}$.
425
426
427
428 In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
429 \begin{equation}
430 \left\{
431 \begin{array}{l}
432 \nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
433 u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
434 \end{array}
435 \right.
436 \label{eq:02}
437 \end{equation}
438 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 differences scheme reduces problem~(\ref{eq:02}) to a system of sparse linear equations. Our multisplitting method solves the 3D Poisson problem using a seven point stencil whose the general expression could be written as
439 \begin{equation}
440 \begin{array}{l}
441 u(x-1,y,z) + u(x,y-1,z) + u(x,y,z-1)\\+u(x+1,y,z)+u(x,y+1,z)+u(x,y,z+1) \\ -6u(x,y,z)=h^2f(x,y,z),
442 %u(x,y,z)= & \frac{1}{6}\times [u(x-1,y,z) + u(x+1,y,z) + \\
443  %         & u(x,y-1,z) + u(x,y+1,z) + \\
444   %        & u(x,y,z-1) + u(x,y,z+1) - \\ & h^2f(x,y,z)],
445 \end{array}
446 \label{eq:03}
447 \end{equation} 
448 where $h$ is the distance between two adjacent elements in the spatial discretization scheme and 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. 
449
450 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. 
451
452 \begin{figure}[!t]
453 \centering
454   \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
455 \caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
456 \label{fig:4.2}
457 \end{figure}
458
459
460 \subsection{Simulation of the multisplitting method using SimGrid and SMPI}
461
462
463
464 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
465 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
466 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. For the synchronous GMRES method, the execution of the program raised no particular issue but in the asynchronous multisplitting method, the review of the sequence of \texttt{MPI\_Isend, MPI\_Irecv} and \texttt{MPI\_Waitall} instructions
467 and with the addition of the primitive \texttt{MPI\_Test} was needed to avoid a memory fault due to an infinite loop resulting from the non-convergence of the algorithm.
468 %\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} 
469 %\CER{Le problème majeur sur l'adaptation MPI vers SMPI pour la partie asynchrone de l'algorithme a été le plantage en SMPI de Waitall après un Isend et Irecv. J'avais proposé un workaround en utilisant un MPI\_wait séparé pour chaque échange a la place d'un waitall unique pour TOUTES les échanges, une instruction qui semble bien fonctionner en MPI. Ce workaround aussi fonctionne bien. Mais après, tu as modifié le programme avec l'ajout d'un MPI\_Test, au niveau de la routine de détection de la convergence et du coup, l'échange global avec waitall a aussi fonctionné.}
470 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.
471 As mentioned, upon this adaptation, the algorithm is executed as in the real life in the simulated environment after the following minor changes. The scope of all declared 
472 global variables have been moved to local to subroutine. Indeed, global variables generate side effects arising from the concurrent access of 
473 shared memory used by threads simulating each computing unit in the SimGrid architecture. 
474 %Second, some compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed with the latest version of SimGrid.
475 %\AG{compilation or run-time error?}
476 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 
477 environment. We have successfully executed the code for the synchronous GMRES algorithm compared with our asynchronous multisplitting algorithm after few modifications. 
478
479
480
481 \section{Simulation results}
482
483 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
484 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
485 study that the results depend on the following parameters:  
486 \begin{itemize}
487 \item At the network level, we found that the most critical values are the
488   bandwidth and the network latency.
489 \item Hosts processors power (GFlops) can also influence on the results.
490 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
491   passed to the program like the maximum number of iterations or the precision are critical. They allow us to ensure not only the convergence of the
492   algorithm but also to get the main objective in getting an execution time with the asynchronous multisplitting  less than with synchronous GMRES. 
493   \end{itemize}
494
495 The ratio between the simulated execution time of synchronous GMRES algorithm
496 compared to the asynchronous multisplitting algorithm ($t_\text{GMRES} / t_\text{Multisplitting}$) is defined as the \emph{relative gain}. So,
497 our objective running the algorithm in SimGrid is to obtain a relative gain greater than 1.
498 A priori, obtaining a relative gain greater than 1 would be difficult in a local
499 area network configuration where the synchronous GMRES method will take advantage on the
500 rapid exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology
501 adopted was to launch the application on a clustered network. In this
502 configuration, degrading the inter-cluster network performance will penalize the
503 synchronous mode allowing to get a relative gain greater than 1.  This action
504 simulates the case of distant clusters linked with long distance network as in grid computing context.
505
506
507
508 Both codes were simulated on a two clusters based network with 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above
509 factors have provided the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50}. The problem size of the 3D Poisson problem  ranges from $N=N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 150 elements (that is from
510 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{150}^\text{3} =
511 \text{\np{3375000}}$ entries). With the asynchronous multisplitting algorithm the simulated execution time is in average 2.5 times faster than with the synchronous GMRES one. 
512 %\AG{Expliquer comment lire les tableaux.}
513 %\CER{J'ai reformulé la phrase par la lecture du tableau. Plus de détails seront lus dans la partie Interprétations et commentaires}
514 % use the same column width for the following three tables
515 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
516 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
517   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
518   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
519                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
520     \end{tabular}}
521
522 \begin{table}[!t]
523   \centering
524   \caption{Relative gain  of the multisplitting algorithm compared  to GMRES for
525     different configurations with 2 clusters, each one composed of 50 nodes. Latency = $20$ms}
526   \label{tab.cluster.2x50}
527
528   \begin{mytable}{5}
529     \hline
530     bandwidth (Mbit/s)
531     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         \\
532     \hline
533   %  latency (ms)
534    % & 20      &  20      & 20      & 20      & 20      \\
535     %\hline
536     power (GFlops)
537     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       \\
538     \hline
539     size $(N)$
540     & $62^3$        & $62^3$        & $62^3$        & $100^3$       & $100^3$       \\
541     \hline
542     Precision
543     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} \\
544     \hline
545     \hline
546     Relative gain
547     & 2.52      & 2.55      & 2.52      & 2.57      & 2.54      \\
548     \hline
549   \end{mytable}
550
551   \bigskip
552
553   \begin{mytable}{5}
554     \hline
555     bandwidth (Mbit/s)
556     & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\ %       & 10        & 10 \\
557     \hline
558     %latency (ms)
559     %& 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\ %      & 0.03      & 0.01 \\
560     %\hline
561     Power (GFlops)
562     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\ %      & 1         & 1.5 \\
563     \hline
564     size $(N)$
565     & $110^3$       & $120^3$       & $130^3$       & $140^3$       & $150^3$  \\ %     & 171       & 171 \\
566     \hline
567     Precision
568     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\ % & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
569     \hline
570     \hline
571     Relative gain
572     & 2.53      & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54   \\ %  & 1.59      & 1.29 \\
573     \hline
574   \end{mytable}
575 \end{table}
576   
577 %\RC{Du coup la latence est toujours la même, pourquoi la mettre dans la table?}
578
579 %Then we have changed the network configuration using three clusters containing
580 %respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
581 %clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
582 %permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
583 %relative gains greater than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
584
585 %\CER{En accord avec RC, on a pour le moment enlevé les tableaux 2 et 3 sachant que les résultats obtenus sont limites. De même, on a enlevé aussi les deux dernières colonnes du tableau I en attendant une meilleure performance et une meilleure precision}
586 %\begin{table}[!t]
587 %  \centering
588 %  \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
589 %  \label{tab.cluster.3x33}
590 %
591 %  \begin{mytable}{6}
592 %    \hline
593 %    bandwidth 
594 %    & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
595 %    \hline
596 %    latency
597 %    & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
598 %    \hline
599 %    power
600 %    & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
601 %    \hline
602 %    size
603 %    & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
604 %    \hline
605 %    Prec/Eprec
606 %    & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
607 %    \hline
608 %    \hline
609 %    Relative gain
610 %    & 1.003    & 1.01     & 1.08     & 1.19     & 1.28     & 1.01 \\
611 %    \hline
612 %  \end{mytable}
613 %\end{table}
614
615 %In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
616 %configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
617 %Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
618
619 %\begin{table}[!t]
620 %  \centering
621 %  \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
622 %  \label{tab.cluster.3x67}
623 %
624 %  \begin{mytable}{1}
625 %    \hline
626 %    bandwidth  & 1 \\
627 %    \hline
628 %    latency    & 0.02 \\
629 %    \hline
630 %    power      & 1 \\
631 %    \hline
632 %    size       & 62 \\
633 %    \hline
634 %    Prec/Eprec & \np{E-5} \\
635 %    \hline
636 %    \hline
637 %    Relative gain    & 1.11 \\
638 %    \hline
639 %  \end{mytable}
640 %\end{table}
641
642 Note that the program was run with the following parameters:
643
644 \paragraph*{SMPI parameters}
645
646 \begin{itemize}
647 \item HOSTFILE: Text file containing the list of the processors units name. Here 100 hosts;
648 \item PLATFORM: XML file description of the platform architecture whith the following characteristics: %two clusters (cluster1 and cluster2) with the following characteristics :
649   \begin{itemize}
650   \item 2 clusters of 50 hosts each;
651   \item Processor unit power: \np[GFlops]{1} or \np[GFlops]{1.5};
652   \item Intra-cluster network bandwidth: \np[Gbit/s]{1.25} and latency: \np[$\mu$s]{50};
653   \item Inter-cluster network bandwidth: \np[Mbit/s]{5} or \np[Mbit/s]{50} and latency: \np[ms]{20};
654   \end{itemize}
655 \end{itemize}
656
657
658 \paragraph*{Arguments of the program}
659
660 \begin{itemize}
661 \item Description of the cluster architecture matching the format <Number of
662   clusters> <Number of hosts in cluster1> <Number of hosts in cluster2>;
663 \item Maximum numbers of outer and inner iterations;
664 \item Outer and inner precisions on the residual error;
665 \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
666 \item Matrix diagonal value: $6$ (see Equation~(\ref{eq:03}));
667 \item Matrix off-diagonal values: $-1$;
668 \item Communication mode: asynchronous.
669 \end{itemize}
670
671 \paragraph*{Interpretations and comments}
672
673 After analyzing the outputs, generally, for the two clusters including one hundred hosts configuration (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}), some combinations of parameters affecting
674 the results have given a relative gain more than 2.5, showing the effectiveness of the
675 asynchronous multisplitting  compared to GMRES with two distant clusters.
676
677 With these settings, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
678 that after setting the bandwidth of the  inter cluster network to  \np[Mbit/s]{5}, the latency to $20$ millisecond and the processor power
679 to one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} is
680 obtained in asynchronous mode for a matrix size of $62^3$ elements. It is noticed that the result remains
681 stable even we vary the residual error precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
682 increasing the matrix size up to $100^3$ elements, it was necessary to increase the
683 CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} to get the algorithm convergence and the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining such processor power but increasing network throughput inter cluster up to
684 \np[Mbit/s]{50}, the result of efficiency with a relative gain of 2.5 is obtained with
685 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from $110^3$ to $150^3$ side
686 elements.
687
688 %For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
689 %Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
690 %which gives a relative gain of asynchronous mode more than 1.2. Indeed, for a
691 %matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
692 %(synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
693 %\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
694 %inter cluster network bandwidth from 5 to \np[Mbit/s]{2}.
695 %\AG{Conclusion, on prend une plateforme pourrie pour avoir un bon ratio sync/async ???
696   %Quelle est la perte de perfs en faisant ça ?}
697
698 %A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
699 %with 200 nodes in total. The convergence with a relative gain around 1.1 was
700 %obtained with a bandwidth of \np[Mbit/s]{1} as shown in
701 %Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
702
703 %\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...}
704 %\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 :-)}
705 %\LZK{Ma question est: le bandwidth et latency sont ceux inter-clusters ou pour les deux inter et intra cluster??}
706 %\CER{Définitivement, les paramètres réseaux variables ici se rapportent au réseau INTER cluster.}
707 \section{Conclusion}
708 The simulation of the execution of parallel asynchronous iterative algorithms on large scale  clusters has been presented. 
709 In this work, we show that SimGrid is an efficient simulation tool that allows us to 
710 reach the following two objectives: 
711
712 \begin{enumerate}
713 \item  To have  a flexible  configurable execution  platform that  allows  us to
714   simulate algorithms for  which execution of all parts of
715   the  code is  necessary. Using  simulations before  real executions  is  a nice
716   solution to detect potential scalability problems.
717
718 \item To test the combination of the cluster and network specifications permitting to execute an asynchronous algorithm faster than a synchronous one.
719 \end{enumerate}
720 Our results have shown that with two distant clusters, the asynchronous multisplitting method is faster to \np[\%]{40} compared to the synchronous GMRES method
721 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
722 and more increasing size.
723
724 Several studies have already addressed the performance execution time of 
725 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
726 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
727 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
728 mode in a grid architecture. 
729
730 In future works, we plan to extend our experimentations to larger scale platforms by increasing the number of computing cores and the number of clusters. 
731 We will also have to increase the size of the input problem which will require the use of a more powerful simulation platform. At last, we expect to compare our simulation results to real execution results on real architectures in order to better experimentally validate our study. Finally, we also plan to study other problems with the multisplitting method and other asynchronous iterative methods.
732
733 \section*{Acknowledgment}
734
735 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
736 %\todo[inline]{The authors would like to thank\dots{}}
737
738 % trigger a \newpage just before the given reference
739 % number - used to balance the columns on the last page
740 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
741 % the document is modified later
742 \bibliographystyle{IEEEtran}
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