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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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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  in  which we  choose  some parameters.   Both  codes  are real  MPI
85 codes. Experiments allow us to see when the 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 involve the division of the problem into several \emph{blocks} that will
106 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will communicate each intermediate results before a new
107 iteration starts and until the approximate solution is reached. These parallel  computations can be performed either in
108 \emph{synchronous} mode where a new iteration begins only when all nodes communications are completed,
109 or in \emph{asynchronous} mode where processors can continue independently with few or no synchronization points. For
110 instance in the \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model~\cite{bcvc06:ij}, local
111 computations do not need to wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present
112 at that time. Even if the number of iterations required before the convergence is generally greater than for the
113 synchronous case, AIAC algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to
114 synchronizations especially in a grid computing context (see~\cite{Bahi07} for more details).
115
116 Parallel   (synchronous  or  asynchronous)   applications  may   have  different
117 configuration   and  deployment   requirements.    Quantifying  their   resource
118 allocation  policies and  application  scheduling algorithms  in grid  computing
119 environments under  varying load, CPU power  and network speeds  is very costly,
120 very          labor           intensive          and          very          time
121 consuming~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.     The   case    of   AIAC
122 algorithms  is  even  more problematic  since  they  are  very sensible  to  the
123 execution environment context. For instance, variations in the network bandwidth
124 (intra and inter-clusters), in the number  and the power of nodes, in the number
125 of clusters\dots{}  can lead to  very different number  of iterations and  so to
126 very  different execution times.  Then, it  appears that  the use  of simulation
127 tools  to  explore  various platform  scenarios  and  to  run large  numbers  of
128 experiments quickly can be very promising.  In this way, the use of a simulation
129 environment  to execute parallel  iterative algorithms  found some  interests in
130 reducing  the  highly  cost  of  access  to computing  resources:  (1)  for  the
131 applications development life cycle and  in code debugging (2) and in production
132 to get  results in a reasonable  execution time with  a simulated infrastructure
133 not  accessible  with physical  resources.  Indeed,  the  launch of  distributed
134 iterative  asynchronous algorithms  to solve  a given  problem on  a large-scale
135 simulated environment challenges to  find optimal configurations giving the best
136 results with a lowest residual error and in the best of execution time.
137
138 To our knowledge, there is no existing work on the large-scale simulation of a
139 real AIAC application. There are {\bf two contributions} in this paper. First we give a first
140 approach of the simulation of AIAC algorithms using a simulation tool (i.e. the
141 SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}). Second, we confirm the effectiveness of the
142 asynchronous multisplitting algorithm by comparing its performance with the synchronous
143 GMRES. More precisely, we had implemented a program for solving large
144 linear system of equations by numerical method GMRES (Generalized
145 Minimal Residual) \cite{ref1}. We show, that with minor modifications of the
146 initial MPI code, the SimGrid toolkit allows us to perform a test campaign of a
147 real AIAC application on different computing architectures. The simulated
148 results we obtained are in line with real results exposed in ??\AG[]{ref?}.
149 SimGrid had allowed us to launch the application from a modest computing
150 infrastructure by simulating different distributed architectures composed by
151 clusters nodes interconnected by variable speed networks.  With selected
152 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster
153 network) and on the clusters architecture (number, capacity calculation power)
154 in the simulated environment, the experimental results have demonstrated not
155 only the algorithm convergence within a reasonable time compared with the
156 physical environment performance, but also a time saving of up to \np[\%]{40} in
157 asynchronous mode.
158 \AG{Il faudrait revoir la phrase précédente (couper en deux?).  Là, on peut
159   avoir l'impression que le gain de \np[\%]{40} est entre une exécution réelle
160   et une exécution simulée!}
161
162 This article is structured as follows: after this introduction, the next  section will give a brief description of
163 iterative asynchronous model.  Then, the simulation framework SimGrid is presented with the settings to create various
164 distributed architectures. The algorithm of  the multisplitting method used by GMRES \LZK{??? GMRES n'utilise pas la méthode de multisplitting! Sinon ne doit on pas expliquer le choix d'une méthode de multisplitting?} written with MPI primitives and
165 its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) is detailed in the next section. At last, the experiments results
166 carried out will be presented before some concluding remarks and future works.
167  
168 \section{Motivations and scientific context}
169
170 As exposed in the introduction, parallel iterative methods are now widely used in many scientific domains. They can be
171 classified in three main classes depending on how iterations and communications are managed (for more details readers
172 can refer to~\cite{bcvc06:ij}). In the \textit{Synchronous Iterations~-- Synchronous Communications (SISC)} model data
173 are exchanged at the end of each iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
174 important idle times on processors are generated. The \textit{Synchronous Iterations~-- Asynchronous Communications
175 (SIAC)} model can be compared to the previous one except that data required on another processor are sent asynchronously
176 i.e.  without stopping current computations. This technique allows to partially overlap communications by computations
177 but unfortunately, the overlapping is only partial and important idle times remain.  It is clear that, in a grid
178 computing context, where the number of computational nodes is large, heterogeneous and widely distributed, the idle
179 times generated by synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use the
180 \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model. Here, local computations do not need to
181 wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present at that time. Figure~\ref{fig:aiac}
182 illustrates this model where the gray blocks represent the computation phases, the white spaces the idle
183 times and the arrows the communications.
184 \AG{There are no ``white spaces'' on the figure.}
185 With this algorithmic model, the number of iterations required before the
186 convergence is generally greater than for the two former classes. But, and as detailed in~\cite{bcvc06:ij}, AIAC
187 algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to synchronizations especially
188 in a grid computing context.\LZK{Répétition par rapport à l'intro}
189
190 \begin{figure}[!t]
191   \centering
192     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
193   \caption{The Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications model}
194   \label{fig:aiac}
195 \end{figure}
196
197
198 It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
199 heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
200 engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
201 these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
202 novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
203 the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
204 large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
205 context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
206 scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
207 promising. Several works\dots{}
208
209 \AG{Several works\dots{} what?\\
210   Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
211 In the context of AIAC algorithms, the use of simulation tools is even more
212 relevant. Indeed, this class of applications is very sensible to the execution
213 environment context. For instance, variations in the network bandwidth (intra
214 and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number of
215 clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to very
216 different execution times.
217
218
219
220
221 \section{SimGrid}
222
223 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
224 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
225 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
226 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
227 date from 1999, but it's still actively developed and distributed as an open
228 source software.  Today, it's one of the major generic tools in the field of
229 simulation for large-scale distributed systems.
230
231 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
232 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
233 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
234 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
235 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work exposed in
236 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
237 standard~\cite{bedaride:hal-00919507}, and supports applications written in C or
238 Fortran, with little or no modifications.
239
240 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated on a
241 single machine.  The application code is really executed, but some operations
242 like the communications are intercepted, and their running time is computed
243 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
244 description of this target platform is given as an input for the execution, by
245 the mean of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
246 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
247 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The simulated running
248 time of the application is computed according to these properties.
249
250 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
251 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
252 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows to run relatively fast
253 simulations, while still keeping accurate
254 results~\cite{bedaride:hal-00919507,tomacs13}.  Moreover, depending on the
255 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
256 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
257 skipped, but the results have no importance for the simulation results, there is
258 also the possibility to share dynamically allocated data structures between
259 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
260 These two techniques can help to run simulations at a very large scale.
261
262 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
263 \section{Simulation of the multisplitting method}
264 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
265 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  
266 \begin{equation*}
267   \left(\begin{array}{ccc}
268       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
269       \vdots & \ddots & \vdots\\
270       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
271     \end{array} \right)
272   \times
273   \left(\begin{array}{c}
274       X_1 \\
275       \vdots\\
276       X_L
277     \end{array} \right)
278   =
279   \left(\begin{array}{c}
280       B_1 \\
281       \vdots\\
282       B_L
283     \end{array} \right)
284 \end{equation*}
285 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$
286 are assigned to one cluster, where for all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, $A_{\ell
287   m}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_\ell\times n_m$, $X_\ell$ and
288 $B_\ell$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, of size $n_\ell$ each,
289 and $\sum_{\ell} n_\ell=\sum_{m} n_m=n$.
290
291 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
292 \begin{equation}
293   \label{eq:4.1}
294   \left\{
295     \begin{array}{l}
296       A_{\ell\ell}X_\ell = Y_\ell \text{, such that}\\
297       Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m
298     \end{array}
299   \right.
300 \end{equation}
301 is solved independently by a cluster and communications are required to update
302 the right-hand side sub-vector $Y_\ell$, such that the sub-vectors $X_m$
303 represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system
304 (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our
305 multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is
306 easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we
307 use the parallel algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most
308 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 $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
315 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\medskip
316
317 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
318 \State Set the initial guess $x^0$
319 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
320 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
321 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
322 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_\ell^{k+1}$ to neighboring clusters
323 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq \ell}$
324 \EndFor
325
326 \Statex
327
328 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
329 \State Compute local right-hand side $Y_\ell$:
330        \begin{equation*}
331          Y_\ell = B_\ell - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0
332        \end{equation*}
333 \State Solving sub-system $A_{\ell\ell}X_\ell^k=Y_\ell$ with the parallel GMRES method
334 \State \Return $X_\ell^k$
335 \EndFunction
336 \end{algorithmic}
337 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
338 \label{algo:01}
339 \end{figure}
340
341 Algorithm on Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
342 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
343 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
344 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
345 cluster of processors. For all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and
346 vectors with the subscript $\ell$ represent the local data for cluster $\ell$,
347 while $\{A_{\ell m}\}_{m\neq \ell}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix
348 $A$ and $\{X_m\}_{m\neq \ell}$ contain vector elements of solution $x$ shared
349 with neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous
350 communications are performed between processors of the local cluster and those
351 of distant clusters (lines~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in
352 Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are
353 exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
354
355 \begin{figure}[!t]
356 \centering
357   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
358 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
359 \label{fig:4.1}
360 \end{figure}
361
362 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
363 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
364 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
365 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
366 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
367 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
368 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
369 is achieved. So starting from the cluster with rank 1, each master processor $i$
370 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
371 \textit{False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the
372 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
373 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
374 cluster 1 broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work,
375 the local convergence on each cluster $\ell$ is detected when the following
376 condition is satisfied
377 \begin{equation*}
378   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_\ell^k - X_\ell^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
379 \end{equation*}
380 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
381 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
382 $X_\ell^k$ and $X_\ell^{k+1}$.
383
384 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
385 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
386 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 
387 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
388 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.
389 \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}
390 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.
391 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 
392 global variables have been moved to local variables for each subroutine. In fact, global variables generate side effects arising from the concurrent access of 
393 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
394 also to be reviewed.
395 \AG{À propos de ces problèmes d'alignement, en dire plus si ça a un intérêt, ou l'enlever.}
396  Finally, some compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed with the latest version of SimGrid.
397 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 
398 environment. We have successfully executed the code in synchronous mode using parallel GMRES algorithm compared with our multisplitting algorithm in asynchronous mode after few modifications. 
399
400
401
402 \section{Experimental results}
403
404 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
405 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
406 study that the results depend on the following parameters:  
407 \begin{itemize}
408 \item At the network level, we found that the most critical values are the
409   bandwidth and the network latency.
410 \item Hosts power (GFlops) can also influence on the results.
411 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
412   passed to the program like the maximum number of iterations or the external
413   precision are critical. They allow to ensure not only the convergence of the
414   algorithm but also to get the main objective of the experimentation of the
415   simulation in having an execution time in asynchronous less than in
416   synchronous mode. The ratio between the execution time of asynchronous
417   compared to the synchronous mode is defined as the \emph{relative gain}. So,
418   our objective running the algorithm in SimGrid is to obtain a relative gain
419   greater than 1.
420   \AG{$t_\text{async} / t_\text{sync} > 1$, l'objectif est donc que ça dure plus
421     longtemps (que ça aille moins vite) en asynchrone qu'en synchrone ?
422     Ce n'est pas plutôt l'inverse ?}
423 \end{itemize}
424
425 A priori, obtaining a relative gain greater than 1 would be difficult in a local
426 area network configuration where the synchronous mode will take advantage on the
427 rapid exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology
428 adopted was to launch the application on clustered network. In this last
429 configuration, degrading the inter-cluster network performance will penalize the
430 synchronous mode allowing to get a relative gain greater than 1.  This action
431 simulates the case of distant clusters linked with long distance network like
432 Internet.
433
434 \AG{Cette partie sur le poisson 3D
435   % on sait donc que ce n'est pas une plie ou une sole (/me fatigué)
436   n'est pas à sa place.  Elle devrait être placée plus tôt.}
437 In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
438 \begin{equation}
439 \left\{
440 \begin{array}{l}
441 \nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
442 u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
443 \end{array}
444 \right.
445 \label{eq:02}
446 \end{equation}
447 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 
448 \begin{equation}
449 \begin{array}{ll}
450 u^{k+1}(x,y,z)= & u^k(x,y,z) - \frac{1}{6}\times\\
451                & (u^k(x-1,y,z) + u^k(x+1,y,z) + \\
452                & u^k(x,y-1,z) + u^k(x,y+1,z) + \\
453                & u^k(x,y,z-1) + u^k(x,y,z+1)),
454 \end{array}
455 \label{eq:03}
456 \end{equation} 
457 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. 
458
459 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. 
460
461 \begin{figure}[!t]
462 \centering
463   \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
464 \caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
465 \label{fig:4.2}
466 \end{figure}
467
468
469 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
470 containing 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above
471 factors have provided the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a
472 matrix size ranging from $N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 171 elements or from
473 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{171}^\text{3} =
474 \text{\np{5000211}}$ entries.
475 \AG{Expliquer comment lire les tableaux.}
476
477 % use the same column width for the following three tables
478 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
479 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
480   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
481   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
482                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
483     \end{tabular}}
484
485 \begin{table}[!t]
486   \centering
487   \caption{2 clusters, each with 50 nodes}
488   \label{tab.cluster.2x50}
489
490   \begin{mytable}{6}
491     \hline
492     bandwidth
493     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         & 50 \\
494     \hline
495     latency
496     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\
497     \hline
498     power
499     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\
500     \hline
501     size
502     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       & 110 \\
503     \hline
504     Prec/Eprec
505     & \np{E-5}   & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\
506     \hline
507     \hline
508     Relative gain
509     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54     & 2.53 \\
510     \hline
511   \end{mytable}
512
513   \bigskip
514
515   \begin{mytable}{6}
516     \hline
517     bandwidth
518     & 50        & 50        & 50        & 50        & 10        & 10 \\
519     \hline
520     latency
521     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.03      & 0.01 \\
522     \hline
523     power
524     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1         & 1.5 \\
525     \hline
526     size
527     & 120       & 130       & 140       & 150       & 171       & 171 \\
528     \hline
529     Prec/Eprec
530     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
531     \hline
532     \hline
533     Relative gain
534     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54     & 1.59      & 1.29 \\
535     \hline
536   \end{mytable}
537 \end{table}
538   
539 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
540 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
541 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
542 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
543 relative gains greater than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
544
545 \begin{table}[!t]
546   \centering
547   \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
548   \label{tab.cluster.3x33}
549
550   \begin{mytable}{6}
551     \hline
552     bandwidth
553     & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
554     \hline
555     latency
556     & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
557     \hline
558     power
559     & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
560     \hline
561     size
562     & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
563     \hline
564     Prec/Eprec
565     & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
566     \hline
567     \hline
568     Relative gain
569     & 1.003    & 1.01     & 1.08     & 1.19     & 1.28     & 1.01 \\
570     \hline
571   \end{mytable}
572 \end{table}
573
574 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
575 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
576 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
577
578 \begin{table}[!t]
579   \centering
580   \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
581   \label{tab.cluster.3x67}
582
583   \begin{mytable}{1}
584     \hline
585     bandwidth  & 1 \\
586     \hline
587     latency    & 0.02 \\
588     \hline
589     power      & 1 \\
590     \hline
591     size       & 62 \\
592     \hline
593     Prec/Eprec & \np{E-5} \\
594     \hline
595     \hline
596     Relative gain    & 1.11 \\
597     \hline
598   \end{mytable}
599 \end{table}
600
601 Note that the program was run with the following parameters:
602
603 \paragraph*{SMPI parameters}
604
605 ~\\{}\AG{Donner un peu plus de précisions (plateforme en particulier).}
606 \begin{itemize}
607 \item HOSTFILE: Hosts file description.
608 \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU
609   power, \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network
610   (bandwidth, latency, \dots{}).
611 \end{itemize}
612
613
614 \paragraph*{Arguments of the program}
615
616 \begin{itemize}
617         \item Description of the cluster architecture;
618         \item Maximum number of internal and external iterations;
619         \item Internal and external precisions;
620         \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
621         \item Matrix diagonal value: \np{6.0};
622         \item Matrix off-diagonal value: \np{-1.0};
623         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
624 \end{itemize}
625
626 \paragraph*{Interpretations and comments}
627
628 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
629 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}
630 and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the used parameters affecting
631 the results have given a relative gain more than 2.5, showing the effectiveness of the
632 asynchronous performance compared to the synchronous mode.
633
634 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
635 that with a deterioration of inter cluster network set with \np[Mbit/s]{5} of
636 bandwidth, a latency in order of a hundredth of a millisecond and a system power
637 of one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is
638 obtained for a matrix size of 62 elements. It is noticed that the result remains
639 stable even if we vary the external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
640 increasing the matrix size up to 100 elements, it was necessary to increase the
641 CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a convergence of the algorithm
642 with the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining such a system
643 power but this time, increasing network throughput inter cluster up to
644 \np[Mbit/s]{50}, the result of efficiency with a relative gain of 1.5\AG[]{2.5 ?} is obtained with
645 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150 side
646 elements.
647
648 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
649 Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
650 which gives a relative gain of asynchronous mode more than 1.2. Indeed, for a
651 matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
652 (synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
653 \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
654 inter cluster network bandwidth from 5 to \np[Mbit/s]{2}.
655 \AG{Conclusion, on prend une plateforme pourrie pour avoir un bon ratio sync/async ???
656   Quelle est la perte de perfs en faisant ça ?}
657
658 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
659 with 200 nodes in total. The convergence with a relative gain around 1.1 was
660 obtained with a bandwidth of \np[Mbit/s]{1} as shown in
661 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
662
663 \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...}
664 \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 :-)}
665 \LZK{Ma question est: le bandwidth et latency sont ceux inter-clusters ou pour les deux inter et intra cluster??}
666
667 \section{Conclusion}
668 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
669 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
670 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
671 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
672 reach the following three objectives: 
673
674 \begin{enumerate}
675 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
676 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
677 resources;
678 \item to ensure the algorithm convergence with a reasonable time and
679 iteration number ;
680 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
681 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
682 executing the algorithm in asynchronous mode.
683 \end{enumerate}
684 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
685 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
686 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
687 and more increasing size.
688
689  Several studies have already addressed the performance execution time of 
690 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
691 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
692 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
693 mode in a grid architecture. 
694
695 \LZK{Perspectives???}
696
697 \section*{Acknowledgment}
698
699 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
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