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[hpcc2014.git] / hpcc.tex
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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19 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
20 \AtBeginDocument{%
21   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
22   \npthousandthpartsep{}}
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27   \todo[color=green!50,#1]{\sffamily\textbf{AG:} #2}\xspace}
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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 auteurs 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 \emph{numerical iterative algorithms} executed in a distributed environment. As their name
109 suggests, these algorithms solve 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{BT89,Bahi07}.
112
113 Parallelization of such algorithms generally involve the division of the problem into several \emph{blocks} that will
114 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will communicate each intermediate results before a new
115 iteration starts and until the approximate solution is reached. These parallel  computations can be performed either in
116 \emph{synchronous} mode where a new iteration begins only when all nodes communications are completed,
117 or in \emph{asynchronous} mode where processors can continue independently with few or no 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{Bahi07} for more details).
123
124 Parallel numerical applications (synchronous or asynchronous) may have different
125 configuration and deployment requirements.  Quantifying their resource
126 allocation policies and application scheduling algorithms in grid computing
127 environments under varying load, CPU power and network speeds is very costly,
128 very labor intensive and very time
129 consuming~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.  The case of AIAC
130 algorithms is even more problematic since they are very sensible to the
131 execution environment context. For instance, variations in the network bandwidth
132 (intra and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number
133 of clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to
134 very different execution times. Then, it appears that the use of simulation
135 tools to explore various platform scenarios and to run large numbers of
136 experiments quickly can be very promising. In this way, the use of a simulation
137 environment to execute parallel iterative algorithms found some interests in
138 reducing the highly cost of access to computing resources: (1) for the
139 applications development life cycle and in code debugging (2) and in production
140 to get results in a reasonable execution time with a simulated infrastructure
141 not accessible with physical resources. Indeed, the launch of distributed
142 iterative asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale
143 simulated environment challenges to find optimal configurations giving the best
144 results with a lowest residual error and in the best of execution time.
145
146 To our knowledge, there is no existing work on the large-scale simulation of a
147 real AIAC application. The aim of this paper is twofold. First we give a first
148 approach of the simulation of AIAC algorithms using a simulation tool (i.e. the
149 SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}). Second, we confirm the effectiveness of
150 asynchronous mode algorithms by comparing their performance with the synchronous
151 mode. More precisely, we had implemented a program for solving large
152 non-symmetric linear system of equations by numerical method GMRES (Generalized
153 Minimal Residual) []\AG[]{[]?}. We show, that with minor modifications of the
154 initial MPI code, the SimGrid toolkit allows us to perform a test campaign of a
155 real AIAC application on different computing architectures. The simulated
156 results we obtained are in line with real results exposed in ??\AG[]{??}.
157 SimGrid had allowed us to launch the application from a modest computing
158 infrastructure by simulating different distributed architectures composed by
159 clusters nodes interconnected by variable speed networks.  With selected
160 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster
161 network) and on the clusters architecture (number, capacity calculation power)
162 in the simulated environment, the experimental results have demonstrated not
163 only the algorithm convergence within a reasonable time compared with the
164 physical environment performance, but also a time saving of up to \np[\%]{40} in
165 asynchronous mode.
166
167 This article is structured as follows: after this introduction, the next  section will give a brief description of
168 iterative asynchronous model.  Then, the simulation framework SimGrid is presented with the settings to create various
169 distributed architectures. The algorithm of  the multisplitting method used by GMRES written with MPI primitives and
170 its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) is detailed in the next section. At last, the experiments results
171 carried out will be presented before some concluding remarks and future works.
172  
173 \section{Motivations and scientific context}
174
175 As exposed in the introduction, parallel iterative methods are now widely used in many scientific domains. They can be
176 classified in three main classes depending on how iterations and communications are managed (for more details readers
177 can refer to~\cite{bcvc06:ij}). In the \textit{Synchronous Iterations~-- Synchronous Communications (SISC)} model data
178 are exchanged at the end of each iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
179 important idle times on processors are generated. The \textit{Synchronous Iterations~-- Asynchronous Communications
180 (SIAC)} model can be compared to the previous one except that data required on another processor are sent asynchronously
181 i.e.  without stopping current computations. This technique allows to partially overlap communications by computations
182 but unfortunately, the overlapping is only partial and important idle times remain.  It is clear that, in a grid
183 computing context, where the number of computational nodes is large, heterogeneous and widely distributed, the idle
184 times generated by synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use the
185 \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model. Here, local computations do not need to
186 wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present at that time. Figure~\ref{fig:aiac}
187 illustrates this model where the gray blocks represent the computation phases, the white spaces the idle
188 times and the arrows the communications. With this algorithmic model, the number of iterations required before the
189 convergence is generally greater than for the two former classes. But, and as detailed in~\cite{bcvc06:ij}, AIAC
190 algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to synchronizations especially
191 in a grid computing context.
192
193 \begin{figure}[!t]
194   \centering
195     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
196   \caption{The Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications model}
197   \label{fig:aiac}
198 \end{figure}
199
200
201 It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
202 heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
203 engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
204 these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
205 novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
206 the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
207 large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
208 context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
209 scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
210 promising. Several works\dots{}
211
212 \AG{Several works\dots{} what?\\
213   Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
214 In the context of AIAC algorithms, the use of simulation tools is even more
215 relevant. Indeed, this class of applications is very sensible to the execution
216 environment context. For instance, variations in the network bandwidth (intra
217 and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number of
218 clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to very
219 different execution times.
220
221
222
223
224 \section{SimGrid}
225
226 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
227 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
228 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
229 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
230 date from 1999, but it's still actively developed and distributed as an open
231 source software.  Today, it's one of the major generic tools in the field of
232 simulation for large-scale distributed systems.
233
234 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
235 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
236 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
237 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
238 languages.  The SMPI interface supports applications written in C or Fortran,
239 with little or no modifications.  SMPI implements about \np[\%]{80} of the MPI
240 2.0 standard~\cite{bedaride:hal-00919507}.
241
242 %%% explain simulation
243 %- simulated processes folded in one real process
244 %- simulates interactions on the network, fluid model
245 %- able to skip long-lasting computations
246 %- traces + visu?
247
248 %%% platforms
249 %- describe resources and their interconnection, with their properties
250 %- XML files
251
252 %%% validation + refs
253
254 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
255 \section{Simulation of the multisplitting method}
256 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
257 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  
258 \begin{equation*}
259   \left(\begin{array}{ccc}
260       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
261       \vdots & \ddots & \vdots\\
262       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
263     \end{array} \right)
264   \times
265   \left(\begin{array}{c}
266       X_1 \\
267       \vdots\\
268       X_L
269     \end{array} \right)
270   =
271   \left(\begin{array}{c}
272       B_1 \\
273       \vdots\\
274       B_L
275     \end{array} \right)
276 \end{equation*}
277 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 $\sum_{l} n_l=\sum_{m} n_m=n$.
278
279 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
280 \begin{equation}
281   \label{eq:4.1}
282   \left\{
283     \begin{array}{l}
284       A_{ll}X_l = Y_l \text{, such that}\\
285       Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq l}}^{L}A_{lm}X_m
286     \end{array}
287   \right.
288 \end{equation}
289 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. 
290
291 \begin{figure}[!t]
292   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
293   %%% instead
294 \begin{algorithmic}[1]
295 \Input $A_l$ (sparse sub-matrix), $B_l$ (right-hand side sub-vector)
296 \Output $X_l$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
297 \State Load $A_l$, $B_l$
298 \State Set the initial guess $x^0$
299 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
300 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
301 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
302 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_l^{k+1}$ to neighboring clusters
303 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq l}$
304 \EndFor
305
306 \Statex
307
308 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
309 \State Compute local right-hand side $Y_l$:
310        \begin{equation*}
311          Y_l = B_l - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq l}}A_{lm}X_m^0
312        \end{equation*}
313 \State Solving sub-system $A_{ll}X_l^k=Y_l$ with the parallel GMRES method
314 \State \Return $X_l^k$
315 \EndFunction
316 \end{algorithmic}
317 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
318 \label{algo:01}
319 \end{figure}
320
321 Algorithm on Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
322 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
323 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
324 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
325 cluster of processors. For all $l,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and vectors
326 with the subscript $l$ represent the local data for cluster $l$, while
327 $\{A_{lm}\}_{m\neq l}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix $A$ and
328 $\{X_m\}_{m\neq l}$ contain vector elements of solution $x$ shared with
329 neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous communications
330 are performed between processors of the local cluster and those of distant
331 clusters (lines~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in
332 Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are
333 exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
334
335 \begin{figure}[!t]
336 \centering
337   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
338 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
339 \label{fig:4.1}
340 \end{figure}
341
342 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
343 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
344 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
345 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
346 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
347 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
348 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
349 is achieved. So starting from the cluster with rank 1, each master processor $i$
350 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
351 \text\it{False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the
352 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
353 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
354 cluster 1 broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work,
355 the local convergence on each cluster $l$ is detected when the following
356 condition is satisfied
357 \begin{equation*}
358   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_l^k - X_l^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
359 \end{equation*}
360 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 $X_l^{k+1}$. 
361
362 \LZK{Description du processus d'adaptation de l'algo multisplitting à SimGrid}
363 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
364 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting
365 algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless
366 some code debugging. Indeed, apart from the review of the program sequence for
367 asynchronous exchanges between the six neighbors of each point in a submatrix
368 within a cluster or between clusters, the algorithm was executed successfully
369 with SMPI and provided identical outputs as those obtained with direct execution
370 under MPI. In synchronous mode, the execution of the program raised no
371 particular issue but in asynchronous mode, the review of the sequence of
372 MPI\_Isend, MPI\_Irecv and MPI\_Waitall instructions and with the addition of
373 the primitive MPI\_Test was needed to avoid a memory fault due to an infinite
374 loop resulting from the non-convergence of the algorithm. Note here that the use
375 of SMPI functions optimizer for memory footprint and CPU usage is not
376 recommended knowing that one wants to get real results by simulation.  As
377 mentioned, upon this adaptation, the algorithm is executed as in the real life
378 in the simulated environment after the following minor changes. First, all
379 declared global variables have been moved to local variables for each
380 subroutine. In fact, global variables generate side effects arising from the
381 concurrent access of shared memory used by threads simulating each computing
382 units in the SimGrid architecture. Second, the alignment of certain types of
383 variables such as ``long int'' had also to be reviewed. Finally, some
384 compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed
385 with the latest version of SimGrid.  In total, the initial MPI program running
386 on the simulation environment SMPI gave after a very simple adaptation the same
387 results as those obtained in a real environment. We have tested in synchronous
388 mode with a simulated platform starting from a modest 2 or 3 clusters grid to a
389 larger configuration like simulating Grid5000 with more than 1500 hosts with
390 5000 cores~\cite{bolze2006grid}. Once the code debugging and adaptation were
391 complete, the next section shows our methodology and experimental results.
392
393
394 \section{Experimental results}
395
396 When the \emph{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
397 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
398 study that the results depend on the following parameters:  
399 \begin{itemize}
400 \item At the network level, we found that the most critical values are the
401   bandwidth (bw) and the network latency (lat).
402 \item Hosts power (GFlops) can also influence on the results.
403 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
404   passed to the program like the maximum number of iterations or the
405   \emph{external} precision are critical. They allow to ensure not only the
406   convergence of the algorithm but also to get the main objective of the
407   experimentation of the simulation in having an execution time in asynchronous
408   less than in synchronous mode (i.e. speed-up less than 1).
409 \end{itemize}
410
411 A priori, obtaining a speedup less than 1 would be difficult in a local area
412 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the
413 rapid exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology
414 adopted was to launch the application on clustered network. In this last
415 configuration, degrading the inter-cluster network performance will
416 \emph{penalize} the synchronous mode allowing to get a speedup lower than 1.
417 This action simulates the case of clusters linked with long distance network
418 like Internet.
419
420 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
421 containing 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above
422 factors have providing the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a
423 matrix size ranging from $N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 171 elements or from
424 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{171}^\text{3} =
425 \text{\np{5211000}}$ entries.
426
427 % use the same column width for the following three tables
428 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
429 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
430   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
431   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
432                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
433     \end{tabular}}
434
435 \begin{table}[!t]
436   \centering
437   \caption{2 clusters, each with 50 nodes}
438   \label{tab.cluster.2x50}
439
440   \begin{mytable}{6}
441     \hline
442     bw
443     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         & 50 \\
444     \hline
445     lat
446     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\
447     \hline
448     power
449     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\
450     \hline
451     size
452     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       & 110 \\
453     \hline
454     Prec/Eprec
455     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\
456     \hline
457     speedup
458     & 0.396     & 0.392     & 0.396     & 0.391     & 0.393     & 0.395 \\
459     \hline
460   \end{mytable}
461
462   \smallskip
463
464   \begin{mytable}{6}
465     \hline
466     bw
467     & 50        & 50        & 50        & 50        & 10        & 10 \\
468     \hline
469     lat
470     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.03      & 0.01 \\
471     \hline
472     power
473     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1         & 1.5 \\
474     \hline
475     size
476     & 120       & 130       & 140       & 150       & 171       & 171 \\
477     \hline
478     Prec/Eprec
479     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
480     \hline
481     speedup
482     & 0.398     & 0.388     & 0.393     & 0.394     & 0.63      & 0.778 \\
483     \hline
484   \end{mytable}
485 \end{table}
486   
487 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
488 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
489 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
490 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
491 speedups less than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
492
493 \begin{table}[!t]
494   \centering
495   \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
496   \label{tab.cluster.3x33}
497
498   \begin{mytable}{6}
499     \hline
500     bw
501     & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
502     \hline
503     lat
504     & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
505     \hline
506     power
507     & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
508     \hline
509     size
510     & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
511     \hline
512     Prec/Eprec
513     & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
514     \hline
515     speedup
516     & 0.997    & 0.99     & 0.93     & 0.84     & 0.78     & 0.99 \\
517     \hline
518   \end{mytable}
519 \end{table}
520
521 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
522 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
523 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
524
525 \begin{table}[!t]
526   \centering
527   \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
528   \label{tab.cluster.3x67}
529
530   \begin{mytable}{1}
531     \hline
532     bw         & 1 \\
533     \hline
534     lat        & 0.02 \\
535     \hline
536     power      & 1 \\
537     \hline
538     size       & 62 \\
539     \hline
540     Prec/Eprec & \np{E-5} \\
541     \hline
542     speedup    & 0.9 \\
543     \hline
544   \end{mytable}
545 \end{table}
546
547 Note that the program was run with the following parameters:
548
549 \paragraph*{SMPI parameters}
550
551 \begin{itemize}
552         \item HOSTFILE: Hosts file description.
553         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
554 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
555 lat latency, \dots{}).
556 \end{itemize}
557
558
559 \paragraph*{Arguments of the program}
560
561 \begin{itemize}
562         \item Description of the cluster architecture;
563         \item Maximum number of internal and external iterations;
564         \item Internal and external precisions;
565         \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
566         \item Matrix diagonal value: \np{6.0};
567         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
568 \end{itemize}
569
570 \paragraph*{Interpretations and comments}
571
572 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
573 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}
574 and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the used parameters affecting
575 the results have given a speedup less than 1, showing the effectiveness of the
576 asynchronous performance compared to the synchronous mode.
577
578 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
579 that with a deterioration of inter cluster network set with \np[Mbit/s]{5} of
580 bandwidth, a latency in order of a hundredth of a millisecond and a system power
581 of one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is
582 obtained for a matrix size of 62 elements. It is noticed that the result remains
583 stable even if we vary the external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
584 increasing the problem size up to 100 elements, it was necessary to increase the
585 CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a convergence of the algorithm
586 with the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining such a system
587 power but this time, increasing network throughput inter cluster up to
588 \np[Mbit/s]{50}, the result of efficiency of about \np[\%]{40} is obtained with
589 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150 side
590 elements.
591
592 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
593 Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
594 which gives an efficiency of asynchronous below \np[\%]{80}. Indeed, for a
595 matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
596 (synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
597 \np[Mbit/s]{10} and a latency of \np[ms]{E-1}. To challenge an efficiency by
598 \np[\%]{78} with a matrix size of 100 points, it was necessary to degrade the
599 inter cluster network bandwidth from 5 to \np[Mbit/s]{2}.
600
601 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
602 with 200 nodes in total. The convergence with a speedup of \np[\%]{90} was
603 obtained with a bandwidth of \np[Mbit/s]{1} as shown in
604 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
605
606 \section{Conclusion}
607 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
608 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
609 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
610 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
611 reach the following three objectives: 
612
613 \begin{enumerate}
614 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
615 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
616 resources;
617 \item to ensure the algorithm convergence with a reasonable time and
618 iteration number ;
619 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
620 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
621 executing the algorithm in asynchronous mode.
622 \end{enumerate}
623 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
624 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
625 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
626 and more increasing size.
627
628  Several studies have already addressed the performance execution time of 
629 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
630 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
631 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
632 mode in a grid architecture. 
633
634 \section*{Acknowledgment}
635
636 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
637 \todo[inline]{The authors would like to thank\dots{}}
638
639
640 % trigger a \newpage just before the given reference
641 % number - used to balance the columns on the last page
642 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
643 % the document is modified later
644 \bibliographystyle{IEEEtran}
645 \bibliography{IEEEabrv,hpccBib}
646
647 \end{document}
648
649 %%% Local Variables:
650 %%% mode: latex
651 %%% TeX-master: t
652 %%% fill-column: 80
653 %%% ispell-local-dictionary: "american"
654 %%% End:
655
656 % LocalWords:  Ramamonjisoa Laiymani Arnaud Giersch Ziane Khodja Raphaël Femto
657 % LocalWords:  Université Franche Comté IUT Montbéliard Maréchal Juin Inria Sud
658 % LocalWords:  Ouest Vieille Talence cedex scalability experimentations HPC MPI
659 % LocalWords:  Parallelization AIAC GMRES multi SMPI SISC SIAC SimDAG DAGs Lua
660 % LocalWords:  Fortran GFlops priori Mbit de du fcomte multisplitting scalable
661 % LocalWords:  SimGrid Belfort parallelize Labex ANR LABX IEEEabrv hpccBib