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1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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11 \usepackage[american]{babel}
12 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
13 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
14 %\usepackage{hyperref}
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17 \DeclareUrlCommand\email{\urlstyle{same}}
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19 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
20 \AtBeginDocument{%
21   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
22   \npthousandthpartsep{}}
23
24 \usepackage{xspace}
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26 \newcommand{\AG}[2][inline]{%
27   \todo[color=green!50,#1]{\sffamily\textbf{AG:} #2}\xspace}
28 \newcommand{\DL}[2][inline]{%
29   \todo[color=yellow!50,#1]{\sffamily\textbf{DL:} #2}\xspace}
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32 \newcommand{\RC}[2][inline]{%
33   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{RC:} #2}\xspace}
34
35 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
36 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
37
38 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
39 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
40
41 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
42
43 \begin{document}
44
45 \title{Simulation of Asynchronous Iterative Numerical Algorithms Using SimGrid}
46
47 \author{%
48   \IEEEauthorblockN{%
49     Charles Emile Ramamonjisoa\IEEEauthorrefmark{1},
50     David Laiymani\IEEEauthorrefmark{1},
51     Arnaud Giersch\IEEEauthorrefmark{1},
52     Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2} and
53     Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}
54   }
55   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}%
56     Femto-ST Institute -- DISC Department\\
57     Université de Franche-Comté,
58     IUT de Belfort-Montbéliard\\
59     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
60     Email: \email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}
61   }
62   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}%
63     Inria Bordeaux Sud-Ouest\\
64     200 avenue de la Vieille Tour, 33405 Talence cedex, France \\
65     Email: \email{lilia.ziane@inria.fr}
66   }
67 }
68
69 \maketitle
70
71 \RC{Ordre des autheurs pas définitif.}
72 \begin{abstract}
73 In recent years, the scalability of large-scale implementation in a 
74 distributed environment of algorithms becoming more and more complex has 
75 always been hampered by the limits of physical computing resources 
76 capacity. One solution is to run the program in a virtual environment 
77 simulating a real interconnected computers architecture. The results are 
78 convincing and useful solutions are obtained with far fewer resources 
79 than in a real platform. However, challenges remain for the convergence 
80 and efficiency of a class of algorithms that concern us here, namely 
81 numerical parallel iterative algorithms executed in asynchronous mode, 
82 especially in a large scale level. Actually, such algorithm requires a 
83 balance and a compromise between computation and communication time 
84 during the execution. Two important factors determine the success of the 
85 experimentation: the convergence of the iterative algorithm on a large 
86 scale and the execution time reduction in asynchronous mode. Once again, 
87 from the current work, a simulated environment like SimGrid provides
88 accurate results which are difficult or even impossible to obtain in a 
89 physical platform by exploiting the flexibility of the simulator on the 
90 computing units clusters and the network structure design. Our 
91 experimental outputs showed a saving of up to \np[\%]{40} for the algorithm
92 execution time in asynchronous mode compared to the synchronous one with 
93 a residual precision up to \np{E-11}. Such successful results open
94 perspectives on experimentations for running the algorithm on a 
95 simulated large scale growing environment and with larger problem size. 
96
97 % no keywords for IEEE conferences
98 % Keywords: Algorithm distributed iterative asynchronous simulation SimGrid
99 \end{abstract}
100
101 \section{Introduction}
102
103 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming  more and more imperative for solving various
104 problems raised by  researchers on various scientific disciplines but also by industrial in  the field. Indeed, the
105 increasing complexity of these requested  applications combined with a continuous increase of their sizes lead to  write
106 distributed and parallel algorithms requiring significant hardware  resources (grid computing, clusters, broadband
107 network, etc.) but also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a class of highly efficient
108 parallel algorithms called \texttt{numerical iterative algorithms} executed in a distributed environment. As their name
109 suggests, these algorithm solves a given problem by successive iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value
110 $X_{0}$ to find an approximate value $X^*$ of the solution with a very low residual error. Several well-known methods
111 demonstrate the convergence of these algorithms \cite{}. 
112
113 Parallelization of such algorithms generally involved the division of the problem into several \emph{pieces} that will
114 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will communicate each intermediate results before a new
115 iteration starts  until the approximate solution is reached. These parallel  computations can be performed either in
116 \emph{synchronous} communication mode where a new iteration begin only when all nodes communications are completed,
117 either \emph{asynchronous} mode where processors can continue independently without or few synchronization points. For
118 instance in the \textit{Asynchronous Iterations - Asynchronous   Communications (AIAC)} model \cite{bcvc06:ij}, local
119 computations do not need to wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present
120 at that time. Even if the number of iterations required before the convergence is generally greater than for the
121 synchronous case, AIAC algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to
122 synchronizations especially in a grid computing context (see \cite{bcvc06:ij} for more details).
123
124 Parallel numerical applications (synchronous or asynchronous) may have different configuration and deployment
125 requirements.  Quantifying their performance of resource allocation policies and application scheduling algorithms in
126 grid computing environments under varying load, CPU power and network speeds is very costly, labor intensive and time
127 consuming \cite{BuRaCa}. The case of AIAC algorithms is even more problematic since they are very sensible to the
128 execution environment context. For instance, variations in the network bandwith (intra and inter- clusters), in the
129 number and the power of nodes, in the number of clusters... can lead to very different number of iterations and so to
130 very different execution times. In this context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
131 scenarios and to run enormous numbers of experiments quickly can be very promising. In this way, the use of a simulation
132 environment to execute parallel  iterative algorithms found some interests in reducing the highly cost of  access to
133 computing resources: (1) for the applications development life  cycle and in code debugging (2) and in production to get
134 results in a reasonable execution time with a simulated infrastructure not accessible  with physical resources. Indeed,
135 the launch of distributed iterative  asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale  simulated
136 environment challenges to find optimal configurations giving the best results with a lowest residual error and in the
137 best of execution time. 
138
139 To our knowledge, there is no existing work on the large-scale simulation of a real AIAC application. The aim of this
140 paper is to give a first approach of the simulation of AIAC algorithms using the SimGrid toolkit \cite{SimGrid}. We had
141 in the scope of this work implemented a  program for solving large non-symmetric linear system of equations by numerical
142 method GMRES (Generalized Minimal Residual). SimGrid had allowed us to launch the application from a modest computing
143 infrastructure by simulating  different distributed architectures composed by clusters nodes interconnected by variable
144 speed networks. The simulated results we obtained are in line with real results exposed in ?? In addition, it has been
145 permitted to show the effectiveness of asynchronous mode algorithm by comparing its performance with the synchronous
146 mode time. With selected parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter  cluster  network) and on the
147 clusters architecture (number, capacity calculation power) in the simulated environment, the experimental results have
148 demonstrated not only the algorithm convergence within a reasonable time compared with the physical environment
149 performance, but also a time saving of up to \np[\%]{40} in asynchronous mode.
150
151 This article is structured as follows: after this introduction, the next  section will give a brief description of
152 iterative asynchronous model.  Then, the simulation framework SimGrid is presented with the settings to create various
153 distributed architectures. The algorithm of  the multi-splitting method used by GMRES written with MPI primitives and
154 its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) is detailed in the next section. At last, the experiments results
155 carried out will be presented before some concluding remarks and future works.
156  
157 \section{Motivations and scientific context}
158
159 As exposed in the introduction, parallel iterative methods are now widely used in many scientific domains. They can be
160 classified in three main classes depending on how iterations and communications are managed (for more details readers
161 can refer to \cite{bcvc02:ip}). In the \textit{Synchronous Iterations - Synchronous Communications (SISC)} model data
162 are exchanged at the end of each iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
163 important idle times on processors are generated. The \textit{Synchronous Iterations - Asynchronous Communications
164 (SIAC)} model can be compared to the previous one except that data required on another processor are sent asynchronously
165 i.e.  without stopping current computations. This technique allows to partially overlap communications by computations
166 but unfortunately, the overlapping is only partial and important idle times remain.  It is clear that, in a grid
167 computing context, where the number of computational nodes is large, heterogeneous and widely distributed, the idle
168 times generated by synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use the
169 \textit{Asynchronous Iterations - Asynchronous   Communications (AIAC)} model. Here, local computations do not need to
170 wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present at that time. Figure
171 \ref{fig:aiac} illustrates this model where the grey blocks represent the computation phases, the white spaces the idle
172 times and the arrows the communications. With this algorithmic model, the number of iterations required before the
173 convergence is generally greater than for the two former classes. But, and as detailed in \cite{bcvc06:ij}, AIAC
174 algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to synchronizations especially
175 in a grid computing context.
176
177 \begin{figure}[!t]
178   \centering
179     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
180   \caption{The Asynchronous Iterations - Asynchronous Communications model } 
181   \label{fig:aiac}
182 \end{figure}
183
184
185 It is very challenging to develop efficient applications for large scale, heterogeneous and distributed platforms such
186 as computing grids. Researchers and engineers have to develop techniques for maximizing application performance of these
187 multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using novel algorithms that can account for the
188 composite and heterogeneous nature of the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
189 large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this context, it appears that the use of
190 simulation tools to explore various platform scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be
191 very promising. Several works...
192
193 In the context of AIAC algorithms, the use of simulation tools is even more relevant. Indeed, this class of applications
194 is very sensible to the execution environment context. For instance, variations in the network bandwith (intra and
195 inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number of clusters... can lead to very different number of
196 iterations and so to very different execution times.
197
198
199
200
201 \section{SimGrid}
202
203 SimGrid~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,SimGrid} is a simulation
204 framework to sudy the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
205 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
206 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
207 date from 1999, but it's still actively developped and distributed as an open
208 source software.  Today, it's one of the major generic tools in the field of
209 simulation for large-scale distributed systems.
210
211 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
212 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
213 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
214 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
215 languages.  The SMPI interface supports applications written in C or Fortran,
216 with little or no modifications.  SMPI implements about \np[\%]{80} of the MPI
217 2.0 standard~\cite{bedaride:hal-00919507}.
218
219 %%% explain simulation
220 %- simulated processes folded in one real process
221 %- simulates interactions on the network, fluid model
222 %- able to skip long-lasting computations
223 %- traces + visu?
224
225 %%% platforms
226 %- describe resources and their interconnection, with their properties
227 %- XML files
228
229 %%% validation + refs
230
231 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
232 \section{Simulation of the multisplitting method}
233 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
234 Let $Ax=b$ be a large sparse system of $n$ linear equations in $\mathbb{R}$, where $A$ is a sparse square and nonsingular matrix, $x$ is the solution vector and $b$ is the right-hand side vector. We use a multisplitting method based on the block Jacobi splitting to solve this linear system on a large scale platform composed of $L$ clusters of processors. In this case, we apply a row-by-row splitting without overlapping  
235 \[
236 \left(\begin{array}{ccc}
237 A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
238 \vdots & \ddots & \vdots\\
239 A_{L1} & \cdots & A_{LL}
240 \end{array} \right)
241 \times 
242 \left(\begin{array}{c}
243 X_1 \\
244 \vdots\\
245 X_L
246 \end{array} \right)
247 =
248 \left(\begin{array}{c}
249 B_1 \\
250 \vdots\\
251 B_L
252 \end{array} \right)\] 
253 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 $\sum_{l} n_l=\sum_{m} n_m=n$.
254
255 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
256 \begin{equation}
257 \left\{
258 \begin{array}{l}
259 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
260 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq l}}^{L}A_{lm}X_m
261 \end{array}
262 \right.
263 \label{eq:4.1}
264 \end{equation}
265 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. 
266
267 \begin{figure}[!t]
268   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
269   %%% instead
270 \begin{algorithmic}[1]
271 \Input $A_l$ (sparse sub-matrix), $B_l$ (right-hand side sub-vector)
272 \Output $X_l$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
273 \State Load $A_l$, $B_l$
274 \State Set the initial guess $x^0$
275 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
276 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
277 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
278 \State Send shared elements of $X_l^{k+1}$ to neighboring clusters
279 \State Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq l}$
280 \EndFor
281
282 \Statex
283
284 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
285 \State Compute local right-hand side $Y_l$: \[Y_l = B_l - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1 \\m\neq l}}A_{lm}X_m^0\]
286 \State Solving sub-system $A_{ll}X_l^k=Y_l$ with the parallel GMRES method
287 \State \Return $X_l^k$
288 \EndFunction
289 \end{algorithmic}
290 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
291 \label{algo:01}
292 \end{figure}
293
294 Algorithm on Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
295 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
296 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
297 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
298 cluster of processors. For all $l,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and vectors
299 with the subscript $l$ represent the local data for cluster $l$, while
300 $\{A_{lm}\}_{m\neq l}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix $A$ and
301 $\{X_m\}_{m\neq l}$ contain vector elements of solution $x$ shared with
302 neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous communications
303 are performed between processors of the local cluster and those of distant
304 clusters (lines $6$ and $7$ in Figure~\ref{algo:01}). The shared vector
305 elements of the solution $x$ are exchanged by message passing using MPI
306 non-blocking communication routines.
307
308 \begin{figure}[!t]
309 \centering
310   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
311 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
312 \label{fig:4.1}
313 \end{figure}
314
315 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the global convergence detection process as follows. On each cluster a master processor is designated (for example the processor with rank $1$) and masters of all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around the virtual ring from a master processor to another until the global convergence is achieved. So starting from the cluster with rank $1$, each master processor $i$ sets the token to {\it True} if the local convergence is achieved or to {\it False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the global convergence is detected when the master of cluster $1$ receives from the master of cluster $L$ a token set to {\it True}. In this case, the master of cluster $1$ broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work, the local convergence on each cluster $l$ is detected when the following condition is satisfied
316 \[(k\leq \MI) \mbox{~or~} (\|X_l^k - X_l^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)\]
317 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the tolerance threshold of the error computed between two successive local solution $X_l^k$ and $X_l^{k+1}$. 
318
319 \LZK{Description du processus d'adaptation de l'algo multisplitting à SimGrid}
320 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
321
322
323
324
325
326
327
328
329 \section{Experimental results}
330
331 When the \emph{real} application runs in the simulation environment and produces
332 the expected results, varying the input parameters and the program arguments
333 allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
334 study that the results depend on the following parameters: (1) at the network
335 level, we found that the most critical values are the bandwidth (bw) and the
336 network latency (lat). (2) Hosts power (GFlops) can also influence on the
337 results. And finally, (3) when submitting job batches for execution, the
338 arguments values passed to the program like the maximum number of iterations or
339 the \emph{external} precision are critical to ensure not only the convergence of the
340 algorithm but also to get the main objective of the experimentation of the
341 simulation in having an execution time in asynchronous less than in synchronous
342 mode, in others words, in having a \emph{speedup} less than 1
343 ({speedup}${}={}${execution time in synchronous mode}${}/{}${execution time in
344 asynchronous mode}).
345
346 A priori, obtaining a speedup less than 1 would be difficult in a local area
347 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the rapid
348 exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology adopted
349 was to launch the application on clustered network. In this last configuration,
350 degrading the inter-cluster network performance will \emph{penalize} the synchronous
351 mode allowing to get a speedup lower than 1. This action simulates the case of
352 clusters linked with long distance network like Internet.
353
354 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
355 containing fifty hosts each, totaling one hundred hosts. Various combinations of
356 the above factors have providing the results shown in
357 Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a matrix size ranging from $N_x = N_y = N_z =
358 62 \text{ to } 171$ elements or from $62^{3} = \np{238328}$ to $171^{3} =
359 \np{5211000}$ entries.
360
361 \begin{table}[!t]
362   \centering
363   \caption{2 clusters, each with 50 nodes}
364   \label{tab.cluster.2x50}
365   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
366
367   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r|*{12}{c|}}
368     \hline
369     bw
370     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         & 50 \\
371     \hline
372     lat
373     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\
374     \hline
375     power
376     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\
377     \hline
378     size
379     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       & 110 \\
380     \hline
381     Prec/Eprec
382     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\
383     \hline
384     speedup
385     & 0.396     & 0.392     & 0.396     & 0.391     & 0.393     & 0.395 \\
386     \hline
387   \end{tabular}
388
389   \smallskip
390
391   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r|*{12}{c|}}
392     \hline
393     bw
394     & 50        & 50        & 50        & 50        & 10        & 10 \\
395     \hline
396     lat
397     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.03      & 0.01 \\
398     \hline
399     power
400     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1         & 1.5 \\
401     \hline
402     size
403     & 120       & 130       & 140       & 150       & 171       & 171 \\
404     \hline
405     Prec/Eprec
406     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
407     \hline
408     speedup
409     & 0.398     & 0.388     & 0.393     & 0.394     & 0.63      & 0.778 \\
410     \hline
411   \end{tabular}
412 \end{table}
413   
414 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
415 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
416 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
417 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
418 speedups less than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
419
420 \begin{table}[!t]
421   \centering
422   \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
423   \label{tab.cluster.3x33}
424   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
425
426   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r|*{6}{c|}}
427     \hline
428     bw
429     & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
430     \hline
431     lat
432     & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
433     \hline
434     power
435     & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
436     \hline
437     size
438     & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
439     \hline
440     Prec/Eprec
441     & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
442     \hline
443     speedup
444     & 0.997    & 0.99     & 0.93     & 0.84     & 0.78     & 0.99 \\
445     \hline
446   \end{tabular}
447 \end{table}
448
449
450 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
451 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
452 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
453
454 \begin{table}[!t]
455   \centering
456   \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
457   \label{tab.cluster.3x67}
458   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}
459
460   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r|c|}
461     \hline
462     bw         & 1 \\
463     \hline
464     lat        & 0.02 \\
465     \hline
466     power      & 1 \\
467     \hline
468     size       & 62 \\
469     \hline
470     Prec/Eprec & \np{E-5} \\
471     \hline
472     speedup    & 0.9 \\
473     \hline
474  \end{tabular}
475 \end{table}
476
477 Note that the program was run with the following parameters:
478
479 \paragraph*{SMPI parameters}
480
481 \begin{itemize}
482         \item HOSTFILE: Hosts file description.
483         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
484 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
485 lat latency, \dots{}).
486 \end{itemize}
487
488
489 \paragraph*{Arguments of the program}
490
491 \begin{itemize}
492         \item Description of the cluster architecture;
493         \item Maximum number of internal and external iterations;
494         \item Internal and external precisions;
495         \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
496         \item Matrix diagonal value: \np{6.0};
497         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
498 \end{itemize}
499
500 \paragraph*{Interpretations and comments}
501
502 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
503 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}
504 and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the used parameters affecting
505 the results have given a speedup less than 1, showing the effectiveness of the
506 asynchronous performance compared to the synchronous mode.
507
508 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
509 that with a deterioration of inter cluster network set with \np[Mbits/s]{5} of
510 bandwidth, a latency in order of a hundredth of a millisecond and a system power
511 of one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is
512 obtained for a matrix size of 62 elements. It is noticed that the result remains
513 stable even if we vary the external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
514 increasing the problem size up to 100 elements, it was necessary to increase the
515 CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a convergence of the algorithm
516 with the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining such a system
517 power but this time, increasing network throughput inter cluster up to
518 \np[Mbits/s]{50}, the result of efficiency of about \np[\%]{40} is obtained with
519 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150 side
520 elements.
521
522 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
523 Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
524 which gives an efficiency of asynchronous below \np[\%]{80}. Indeed, for a
525 matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
526 (synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
527 \np[Mbits/s]{10} and a latency of \np[ms]{E-1}. To challenge an efficiency by
528 \np[\%]{78} with a matrix size of 100 points, it was necessary to degrade the
529 inter cluster network bandwidth from 5 to 2 Mbit/s.
530
531 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
532 with 200 nodes in total. The convergence with a speedup of \np[\%]{90} was
533 obtained with a bandwidth of \np[Mbits/s]{1} as shown in
534 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
535
536 \section{Conclusion}
537 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
538 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
539 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
540 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
541 reach the following three objectives: 
542
543 \newcounter{numberedCntD}
544 \begin{enumerate}
545 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
546 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
547 resources;
548 \item to ensure the algorithm convergence with a raisonnable time and 
549 iteration number ;
550 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
551 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
552 executing the algorithm in asynchronous mode.
553 \setcounter{numberedCntD}{\theenumi}
554 \end{enumerate}
555 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
556 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
557 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
558 and more increasing size.
559
560  Several studies have already addressed the performance execution time of 
561 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
562 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
563 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
564 mode in a grid architecture. 
565
566 \section*{Acknowledgment}
567
568
569 The authors would like to thank\dots{}
570
571
572 % trigger a \newpage just before the given reference
573 % number - used to balance the columns on the last page
574 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
575 % the document is modified later
576 \bibliographystyle{IEEEtran}
577 \bibliography{IEEEabrv,hpccBib}
578
579 \end{document}
580
581 %%% Local Variables:
582 %%% mode: latex
583 %%% TeX-master: t
584 %%% fill-column: 80
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586 %%% End: