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[hpcc2014.git] / hpcc.tex
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13 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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42
43 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
44
45 \begin{document}
46
47 \title{Simulation of Asynchronous Iterative Numerical Algorithms Using SimGrid}
48
49 \author{%
50   \IEEEauthorblockN{%
51     Charles Emile Ramamonjisoa\IEEEauthorrefmark{1},
52     David Laiymani\IEEEauthorrefmark{1},
53     Arnaud Giersch\IEEEauthorrefmark{1},
54     Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2} and
55     Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}
56   }
57   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}%
58     Femto-ST Institute -- DISC Department\\
59     Université de Franche-Comté,
60     IUT de Belfort-Montbéliard\\
61     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
62     Email: \email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}
63   }
64   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}%
65     Inria Bordeaux Sud-Ouest\\
66     200 avenue de la Vieille Tour, 33405 Talence cedex, France \\
67     Email: \email{lilia.ziane@inria.fr}
68   }
69 }
70
71 \maketitle
72
73 \RC{Ordre des auteurs pas définitif.}
74 \begin{abstract}
75 \AG{L'abstract est AMHA incompréhensible et ne donne pas envie de lire la suite.}
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  more and more imperative for solving various
107 problems raised by  researchers on various scientific disciplines but also by industrial in  the field. Indeed, the
108 increasing complexity of these requested  applications combined with a continuous increase of their sizes lead to  write
109 distributed and parallel algorithms requiring significant hardware  resources (grid computing, clusters, broadband
110 network, etc.) but also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a class of highly efficient
111 parallel algorithms called \emph{numerical iterative algorithms} executed in a distributed environment. As their name
112 suggests, these algorithms solve a given problem by successive iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value
113 $X_{0}$ to find an approximate value $X^*$ of the solution with a very low residual error. Several well-known methods
114 demonstrate the convergence of these algorithms~\cite{BT89,Bahi07}.
115
116 Parallelization of such algorithms generally involve the division of the problem into several \emph{blocks} that will
117 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will communicate each intermediate results before a new
118 iteration starts and until the approximate solution is reached. These parallel  computations can be performed either in
119 \emph{synchronous} mode where a new iteration begins only when all nodes communications are completed,
120 or in \emph{asynchronous} mode where processors can continue independently with few or no synchronization points. For
121 instance in the \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model~\cite{bcvc06:ij}, local
122 computations do not need to wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present
123 at that time. Even if the number of iterations required before the convergence is generally greater than for the
124 synchronous case, AIAC algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to
125 synchronizations especially in a grid computing context (see~\cite{Bahi07} for more details).
126
127 Parallel numerical applications (synchronous or asynchronous) may have different
128 configuration and deployment requirements.  Quantifying their resource
129 allocation policies and application scheduling algorithms in grid computing
130 environments under varying load, CPU power and network speeds is very costly,
131 very labor intensive and very time
132 consuming~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.  The case of AIAC
133 algorithms is even more problematic since they are very sensible to the
134 execution environment context. For instance, variations in the network bandwidth
135 (intra and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number
136 of clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to
137 very different execution times. Then, it appears that the use of simulation
138 tools to explore various platform scenarios and to run large numbers of
139 experiments quickly can be very promising. In this way, the use of a simulation
140 environment to execute parallel iterative algorithms found some interests in
141 reducing the highly cost of access to computing resources: (1) for the
142 applications development life cycle and in code debugging (2) and in production
143 to get results in a reasonable execution time with a simulated infrastructure
144 not accessible with physical resources. Indeed, the launch of distributed
145 iterative asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale
146 simulated environment challenges to find optimal configurations giving the best
147 results with a lowest residual error and in the best of execution time.
148
149 To our knowledge, there is no existing work on the large-scale simulation of a
150 real AIAC application. The aim of this paper is twofold. First we give a first
151 approach of the simulation of AIAC algorithms using a simulation tool (i.e. the
152 SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}). Second, we confirm the effectiveness of
153 asynchronous mode algorithms by comparing their performance with the synchronous
154 mode. More precisely, we had implemented a program for solving large
155 linear system of equations by numerical method GMRES (Generalized
156 Minimal Residual) \cite{ref1}. We show, that with minor modifications of the
157 initial MPI code, the SimGrid toolkit allows us to perform a test campaign of a
158 real AIAC application on different computing architectures. The simulated
159 results we obtained are in line with real results exposed in ??\AG[]{ref?}.
160 SimGrid had allowed us to launch the application from a modest computing
161 infrastructure by simulating different distributed architectures composed by
162 clusters nodes interconnected by variable speed networks.  With selected
163 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster
164 network) and on the clusters architecture (number, capacity calculation power)
165 in the simulated environment, the experimental results have demonstrated not
166 only the algorithm convergence within a reasonable time compared with the
167 physical environment performance, but also a time saving of up to \np[\%]{40} in
168 asynchronous mode.
169 \AG{Il faudrait revoir la phrase précédente (couper en deux?).  Là, on peut
170   avoir l'impression que le gain de \np[\%]{40} est entre une exécution réelle
171   et une exécution simulée!}
172
173 This article is structured as follows: after this introduction, the next  section will give a brief description of
174 iterative asynchronous model.  Then, the simulation framework SimGrid is presented with the settings to create various
175 distributed architectures. The algorithm of  the multisplitting method used by GMRES written with MPI primitives and
176 its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) is detailed in the next section. At last, the experiments results
177 carried out will be presented before some concluding remarks and future works.
178  
179 \section{Motivations and scientific context}
180
181 As exposed in the introduction, parallel iterative methods are now widely used in many scientific domains. They can be
182 classified in three main classes depending on how iterations and communications are managed (for more details readers
183 can refer to~\cite{bcvc06:ij}). In the \textit{Synchronous Iterations~-- Synchronous Communications (SISC)} model data
184 are exchanged at the end of each iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
185 important idle times on processors are generated. The \textit{Synchronous Iterations~-- Asynchronous Communications
186 (SIAC)} model can be compared to the previous one except that data required on another processor are sent asynchronously
187 i.e.  without stopping current computations. This technique allows to partially overlap communications by computations
188 but unfortunately, the overlapping is only partial and important idle times remain.  It is clear that, in a grid
189 computing context, where the number of computational nodes is large, heterogeneous and widely distributed, the idle
190 times generated by synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use the
191 \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model. Here, local computations do not need to
192 wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present at that time. Figure~\ref{fig:aiac}
193 illustrates this model where the gray blocks represent the computation phases, the white spaces the idle
194 times and the arrows the communications.
195 \AG{There are no ``white spaces'' on the figure.}
196 With this algorithmic model, the number of iterations required before the
197 convergence is generally greater than for the two former classes. But, and as detailed in~\cite{bcvc06:ij}, AIAC
198 algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to synchronizations especially
199 in a grid computing context.
200
201 \begin{figure}[!t]
202   \centering
203     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
204   \caption{The Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications model}
205   \label{fig:aiac}
206 \end{figure}
207
208
209 It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
210 heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
211 engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
212 these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
213 novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
214 the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
215 large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
216 context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
217 scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
218 promising. Several works\dots{}
219
220 \AG{Several works\dots{} what?\\
221   Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
222 In the context of AIAC algorithms, the use of simulation tools is even more
223 relevant. Indeed, this class of applications is very sensible to the execution
224 environment context. For instance, variations in the network bandwidth (intra
225 and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number of
226 clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to very
227 different execution times.
228
229
230
231
232 \section{SimGrid}
233
234 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
235 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
236 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
237 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
238 date from 1999, but it's still actively developed and distributed as an open
239 source software.  Today, it's one of the major generic tools in the field of
240 simulation for large-scale distributed systems.
241
242 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
243 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
244 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
245 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
246 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work exposed in
247 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
248 standard~\cite{bedaride:hal-00919507}, and supports applications written in C or
249 Fortran, with little or no modifications.
250
251 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated on a
252 single machine.  The application code is really executed, but some operations
253 like the communications are intercepted, and their running time is computed
254 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
255 description of this target platform is given as an input for the execution, by
256 the mean of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
257 the computing node with their computing power, the interconnection links with
258 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The simulated running
259 time of the application is computed according to these properties.
260
261 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
262 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
263 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows to run relatively fast
264 simulations, while still keeping accurate
265 results~\cite{bedaride:hal-00919507,tomacs13}.  Moreover, depending on the
266 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
267 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
268 skipped, but the results have no importance for the simulation results, there is
269 also the possibility to share dynamically allocated data structures between
270 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
271 These two techniques can help to run simulations at a very large scale.
272
273 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
274 \section{Simulation of the multisplitting method}
275 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
276 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  
277 \begin{equation*}
278   \left(\begin{array}{ccc}
279       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
280       \vdots & \ddots & \vdots\\
281       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
282     \end{array} \right)
283   \times
284   \left(\begin{array}{c}
285       X_1 \\
286       \vdots\\
287       X_L
288     \end{array} \right)
289   =
290   \left(\begin{array}{c}
291       B_1 \\
292       \vdots\\
293       B_L
294     \end{array} \right)
295 \end{equation*}
296 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 $\sum_{l} n_l=\sum_{m} n_m=n$.
297
298 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
299 \begin{equation}
300   \label{eq:4.1}
301   \left\{
302     \begin{array}{l}
303       A_{ll}X_l = Y_l \text{, such that}\\
304       Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq l}}^{L}A_{lm}X_m
305     \end{array}
306   \right.
307 \end{equation}
308 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. 
309
310 \begin{figure}[!t]
311   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
312   %%% instead
313 \begin{algorithmic}[1]
314 \Input $A_l$ (sparse sub-matrix), $B_l$ (right-hand side sub-vector)
315 \Output $X_l$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
316 \State Load $A_l$, $B_l$
317 \State Set the initial guess $x^0$
318 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
319 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
320 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
321 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_l^{k+1}$ to neighboring clusters
322 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq l}$
323 \EndFor
324
325 \Statex
326
327 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
328 \State Compute local right-hand side $Y_l$:
329        \begin{equation*}
330          Y_l = B_l - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq l}}A_{lm}X_m^0
331        \end{equation*}
332 \State Solving sub-system $A_{ll}X_l^k=Y_l$ with the parallel GMRES method
333 \State \Return $X_l^k$
334 \EndFunction
335 \end{algorithmic}
336 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
337 \label{algo:01}
338 \end{figure}
339
340 Algorithm on Figure~\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~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
341
342 \begin{figure}[!t]
343 \centering
344   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
345 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
346 \label{fig:4.1}
347 \end{figure}
348
349 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
350 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
351 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
352 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
353 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
354 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
355 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
356 is achieved. So starting from the cluster with rank 1, each master processor $i$
357 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
358 \textit{False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the
359 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
360 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
361 cluster 1 broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work,
362 the local convergence on each cluster $l$ is detected when the following
363 condition is satisfied
364 \begin{equation*}
365   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_l^k - X_l^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
366 \end{equation*}
367 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
368 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
369 $X_l^k$ and $X_l^{k+1}$.
370
371 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
372 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
373 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. In synchronous 
374 mode, the execution of the program raised no particular issue but in asynchronous mode, the review of the sequence of MPI\_Isend, MPI\_Irecv and MPI\_Waitall instructions
375 and with the addition of the primitive MPI\_Test was needed to avoid a memory fault due to an infinite loop resulting from the non-convergence of the algorithm.
376 \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}
377 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.
378 As mentioned, upon this adaptation, the algorithm is executed as in the real life in the simulated environment after the following minor changes. First, all declared 
379 global variables have been moved to local variables for each subroutine. In fact, global variables generate side effects arising from the concurrent access of 
380 shared memory used by threads simulating each computing unit in the SimGrid architecture. Second, the alignment of certain types of variables such as ``long int'' had
381 also to be reviewed. Finally, some compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed with the latest version of SimGrid.
382 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 
383 environment. We have successfully executed the code in synchronous mode using GMRES algorithm compared with a multisplitting method in asynchrnous mode after few modification. 
384
385
386 \section{Experimental results}
387
388 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
389 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
390 study that the results depend on the following parameters:  
391 \begin{itemize}
392 \item At the network level, we found that the most critical values are the
393   bandwidth (bw) and the network latency (lat).
394 \item Hosts power (GFlops) can also influence on the results.
395 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
396   passed to the program like the maximum number of iterations or the
397   \textit{external} precision are critical. They allow to ensure not only the
398   convergence of the algorithm but also to get the main objective of the
399   experimentation of the simulation in having an execution time in asynchronous
400   less than in synchronous mode. The ratio between the execution time of asynchronous compared to the synchronous mode is defined as the "relative gain". So, our objective running the algorithm in SimGrid is to obtain a relative gain greater than 1.
401 \end{itemize}
402 \LZK{Propositions pour remplacer le terme ``speedup'': acceleration ratio ou relative gain}
403 \CER{C'est fait. En conséquence, les tableaux et les commentaires ont été aussi modifiés}
404 A priori, obtaining a relative gain greater than 1 would be difficult in a local area
405 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the
406 rapid exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology
407 adopted was to launch the application on clustered network. In this last
408 configuration, degrading the inter-cluster network performance will
409 \textit{penalize} the synchronous mode allowing to get a relative gain greater than 1.
410 This action simulates the case of distant clusters linked with long distance network
411 like Internet.
412
413 In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
414 \begin{equation}
415 \left\{
416 \begin{array}{l}
417 \nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
418 u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
419 \end{array}
420 \right.
421 \label{eq:02}
422 \end{equation}
423 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 difference scheme reduces problem~(\ref{eq:02}) to a system of sparse linear equations. The general iteration scheme of our multisplitting method in a 3D domain using a seven point stencil could be written as 
424 \begin{equation}
425 \begin{array}{ll}
426 u^{k+1}(x,y,z)= & u^k(x,y,z) - \frac{1}{6}\times\\
427                & (u^k(x-1,y,z) + u^k(x+1,y,z) + \\
428                & u^k(x,y-1,z) + u^k(x,y+1,z) + \\
429                & u^k(x,y,z-1) + u^k(x,y,z+1)),
430 \end{array}
431 \label{eq:03}
432 \end{equation} 
433 where 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. 
434
435 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. 
436
437 \begin{figure}[!t]
438 \centering
439   \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
440 \caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
441 \label{fig:4.2}
442 \end{figure}
443
444
445 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
446 containing 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above
447 factors have providing the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a
448 matrix size ranging from $N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 171 elements or from
449 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{171}^\text{3} =
450 \text{\np{5000211}}$ entries.
451
452 % use the same column width for the following three tables
453 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
454 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
455   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
456   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
457                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
458     \end{tabular}}
459
460 \begin{table}[!t]
461   \centering
462   \caption{2 clusters, each with 50 nodes}
463   \label{tab.cluster.2x50}
464
465   \begin{mytable}{6}
466     \hline
467     bw
468     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         & 50 \\
469     \hline
470     lat
471     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\
472     \hline
473     power
474     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\
475     \hline
476     size
477     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       & 110 \\
478     \hline
479     Prec/Eprec
480     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\
481     \hline
482     Relative gain
483     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54     & 2.53 \\
484     \hline
485   \end{mytable}
486
487   \smallskip
488
489   \begin{mytable}{6}
490     \hline
491     bw
492     & 50        & 50        & 50        & 50        & 10        & 10 \\
493     \hline
494     lat
495     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.03      & 0.01 \\
496     \hline
497     power
498     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1         & 1.5 \\
499     \hline
500     size
501     & 120       & 130       & 140       & 150       & 171       & 171 \\
502     \hline
503     Prec/Eprec
504     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
505     \hline
506     Relative gain
507     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54     & 1.59      & 1.29 \\
508     \hline
509   \end{mytable}
510 \end{table}
511   
512 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
513 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
514 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
515 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
516 relative gains greater than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
517
518 \begin{table}[!t]
519   \centering
520   \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
521   \label{tab.cluster.3x33}
522
523   \begin{mytable}{6}
524     \hline
525     bw
526     & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
527     \hline
528     lat
529     & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
530     \hline
531     power
532     & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
533     \hline
534     size
535     & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
536     \hline
537     Prec/Eprec
538     & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
539     \hline
540     Relative gain
541     & 1.003    & 1.01     & 1.08     & 1.19     & 1.28     & 1.01 \\
542     \hline
543   \end{mytable}
544 \end{table}
545
546 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
547 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
548 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
549
550 \begin{table}[!t]
551   \centering
552   \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
553   \label{tab.cluster.3x67}
554
555   \begin{mytable}{1}
556     \hline
557     bw         & 1 \\
558     \hline
559     lat        & 0.02 \\
560     \hline
561     power      & 1 \\
562     \hline
563     size       & 62 \\
564     \hline
565     Prec/Eprec & \np{E-5} \\
566     \hline
567     Relative gain    & 1.11 \\
568     \hline
569   \end{mytable}
570 \end{table}
571
572 Note that the program was run with the following parameters:
573
574 \paragraph*{SMPI parameters}
575
576 \begin{itemize}
577         \item HOSTFILE: Hosts file description.
578         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
579 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
580 lat latency, \dots{}).
581 \end{itemize}
582
583
584 \paragraph*{Arguments of the program}
585
586 \begin{itemize}
587         \item Description of the cluster architecture;
588         \item Maximum number of internal and external iterations;
589         \item Internal and external precisions;
590         \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
591         \item Matrix diagonal value: \np{6.0};
592         \item Matrix Off-diagonal value: \np{-1.0};
593         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
594 \end{itemize}
595
596 \paragraph*{Interpretations and comments}
597
598 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
599 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}
600 and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the used parameters affecting
601 the results have given a relative gain more than 2.5, showing the effectiveness of the
602 asynchronous performance compared to the synchronous mode.
603
604 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
605 that with a deterioration of inter cluster network set with \np[Mbit/s]{5} of
606 bandwidth, a latency in order of a hundredth of a millisecond and a system power
607 of one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is
608 obtained for a matrix size of 62 elements. It is noticed that the result remains
609 stable even if we vary the external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
610 increasing the matrix size up to 100 elements, it was necessary to increase the
611 CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a convergence of the algorithm
612 with the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining such a system
613 power but this time, increasing network throughput inter cluster up to
614 \np[Mbit/s]{50}, the result of efficiency with a relative gain of 1.5 is obtained with
615 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150 side
616 elements.
617
618 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
619 Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
620 which gives a relative gain of asynchronous mode more than 1.2. Indeed, for a
621 matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
622 (synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
623 \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
624 inter cluster network bandwidth from 5 to \np[Mbit/s]{2}.
625
626 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
627 with 200 nodes in total. The convergence with a relative gain around 1.1 was
628 obtained with a bandwidth of \np[Mbit/s]{1} as shown in
629 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
630
631 \LZK{Dans le papier, on compare les deux versions synchrone et asycnhrone du multisplitting. Y a t il des résultats pour comparer gmres parallèle classique avec multisplitting asynchrone? Ca permettra de montrer l'intérêt du multisplitting asynchrone sur des clusters distants}
632 \CER{En fait, les résultats ont été obtenus en comparant les temps d'exécution entre l'algo classique GMRES en mode synchrone avec le multisplitting en mode asynchrone, le tout sur un environnement de clusters distants}
633
634 \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...}
635
636 \section{Conclusion}
637 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
638 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
639 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
640 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
641 reach the following three objectives: 
642
643 \begin{enumerate}
644 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
645 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
646 resources;
647 \item to ensure the algorithm convergence with a reasonable time and
648 iteration number ;
649 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
650 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
651 executing the algorithm in asynchronous mode.
652 \end{enumerate}
653 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
654 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
655 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
656 and more increasing size.
657
658  Several studies have already addressed the performance execution time of 
659 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
660 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
661 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
662 mode in a grid architecture. 
663
664 \LZK{Perspectives???}
665
666 \section*{Acknowledgment}
667
668 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
669 \todo[inline]{The authors would like to thank\dots{}}
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