]> AND Private Git Repository - hpcc2014.git/blob - hpcc.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
e043c784c66f453ccdd8386102c4bf0c49964511
[hpcc2014.git] / hpcc.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
3 \usepackage[T1]{fontenc}
4 \usepackage[utf8]{inputenc}
5 \usepackage{amsfonts,amssymb}
6 \usepackage{amsmath}
7 %\usepackage{algorithm}
8 \usepackage{algpseudocode}
9 %\usepackage{amsthm}
10 \usepackage{graphicx}
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}
15
16 \usepackage{url}
17 \DeclareUrlCommand\email{\urlstyle{same}}
18
19 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
20 \AtBeginDocument{%
21   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
22   \npthousandthpartsep{}}
23
24 \usepackage{xspace}
25 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
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}
30 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
31   \todo[color=blue!10,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
32 \newcommand{\RC}[2][inline]{%
33   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{RC:} #2}\xspace}
34 \newcommand{\CER}[2][inline]{%
35   \todo[color=pink!10,#1]{\sffamily\textbf{CER:} #2}\xspace}
36
37 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
38 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
39
40 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
41 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
42
43 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
44 \newcommand{\Time}[1]{\mathit{Time}_\mathit{#1}}
45
46 \begin{document}
47
48 \title{Simulation of Asynchronous Iterative Algorithms Using SimGrid}
49
50 \author{%
51   \IEEEauthorblockN{%
52     Charles Emile Ramamonjisoa\IEEEauthorrefmark{1},
53     Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2},
54     David Laiymani\IEEEauthorrefmark{1},
55     Arnaud Giersch\IEEEauthorrefmark{1} and
56     Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}
57   }
58   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}%
59     Femto-ST Institute -- DISC Department\\
60     Université de Franche-Comté,
61     IUT de Belfort-Montbéliard\\
62     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
63     Email: \email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}
64   }
65   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}%
66     Inria Bordeaux Sud-Ouest\\
67     200 avenue de la Vieille Tour, 33405 Talence cedex, France \\
68     Email: \email{lilia.ziane@inria.fr}
69   }
70 }
71
72 \maketitle
73
74 \begin{abstract}
75
76 Synchronous  iterative  algorithms  are  often less  scalable  than  asynchronous
77 iterative  ones.  Performing  large  scale experiments  with  different kind  of
78 network parameters is not easy  because with supercomputers such parameters are
79 fixed. So one  solution consists in using simulations first  in order to analyze
80 what parameters  could influence or not  the behaviors of an  algorithm. In this
81 paper, we show  that it is interesting to use SimGrid  to simulate the behaviors
82 of asynchronous  iterative algorithms. For that,  we compare the  behaviour of a
83 synchronous  GMRES  algorithm  with  an  asynchronous  multisplitting  one  with
84 simulations  in  which we  choose  some parameters.   Both  codes  are real  MPI
85 codes. Simulations 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.   {\bf  The contribution  of  the present  paper can  be
140   summarised  in two  main  points}.  First  we  give a  first  approach of  the
141 simulation  of  AIAC algorithms  using  a  simulation  tool (i.e.   the  SimGrid
142 toolkit~\cite{SimGrid}).    Second,  we   confirm  the   effectiveness   of  the
143 asynchronous  multisplitting algorithm  by  comparing its  performance with  the
144 synchronous GMRES (Generalized Minimal  Residual) \cite{ref1}.  Both these codes
145 can be  used to  solve large linear  systems. In  this paper, we  focus on  a 3D
146 Poisson  problem.  We show,  that with  minor modifications  of the  initial MPI
147 code, the SimGrid  toolkit allows us to  perform a test campaign of  a real AIAC
148 application on different computing architectures.
149 % The  simulated results  we
150 %obtained are  in line with real  results exposed in  ??\AG[]{ref?}. 
151 SimGrid  had  allowed us  to  launch the  application  from  a modest  computing
152 infrastructure  by simulating  different distributed  architectures  composed by
153 clusters  nodes interconnected by  variable speed  networks.  Parameters  of the
154 network  platforms  are   the  bandwidth  and  the  latency   of  inter  cluster
155 network. Parameters on the cluster's architecture are the number of machines and
156 the  computation power  of a  machine.  Simulations show  that the  asynchronous
157 multisplitting algorithm  can solve the  3D Poisson problem  approximately twice
158 faster than GMRES with two distant clusters.
159
160
161
162 This article is structured as follows: after this introduction, the next section
163 will  give a  brief  description  of iterative  asynchronous  model.  Then,  the
164 simulation framework  SimGrid is presented  with the settings to  create various
165 distributed architectures.  Then, the  multisplitting method is presented, it is
166 based  on GMRES to  solve each  block obtained  of the  splitting. This  code is
167 written with MPI  primitives and its adaptation to  SimGrid with SMPI (Simulated
168 MPI) is  detailed in the next  section. At last, the  simulation results carried
169 out will be presented before some concluding remarks and future works.
170  
171 \section{Motivations and scientific context}
172
173 As exposed in  the introduction, parallel iterative methods  are now widely used
174 in  many  scientific domains.  They  can be  classified  in  three main  classes
175 depending on  how iterations  and communications are  managed (for  more details
176 readers can refer to~\cite{bcvc06:ij}). In the \textit{Synchronous Iterations~--
177   Synchronous Communications (SISC)} model data are exchanged at the end of each
178 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
180   Iterations~-- Asynchronous Communications (SIAC)} model can be compared to the
181 previous  one  except   that  data  required  on  another   processor  are  sent
182 asynchronously  i.e.   without  stopping  current computations.  This  technique
183 allows to  partially overlap  communications by computations  but unfortunately,
184 the overlapping  is only partial and  important idle times remain.   It is clear
185 that, in  a grid computing context,  where the number of  computational nodes is
186 large,  heterogeneous  and  widely  distributed,  the idle  times  generated  by
187 synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use
188 the  \textit{Asynchronous   Iterations~--  Asynchronous  Communications  (AIAC)}
189 model.   Here,  local   computations  do   not   need  to   wait  for   required
190 data. Processors can then perform their iterations with the data present at that
191 time.  Figure~\ref{fig:aiac}  illustrates  this  model  where  the  gray  blocks
192 represent the  computation phases.  With  this algorithmic model, the  number of
193 iterations required before the convergence is generally greater than for the two
194 former classes.  But, and as  detailed in~\cite{bcvc06:ij}, AIAC  algorithms can
195 significantly reduce  overall execution times  by suppressing idle times  due to
196 synchronizations  especially  in a  grid  computing context.
197 %\LZK{Répétition  par  rapport à l'intro}
198
199 \begin{figure}[!t]
200   \centering
201     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
202   \caption{The Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications model}
203   \label{fig:aiac}
204 \end{figure}
205
206 \RC{Je serais partant de virer AIAC et laisser asynchronous algorithms... à voir}
207
208 %% It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
209 %% heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
210 %% engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
211 %% these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
212 %% novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
213 %% the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
214 %% large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
215 %% context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
216 %% scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
217 %% promising. Several works\dots{}
218
219 %% \AG{Several works\dots{} what?\\
220 %  Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
221 In the context of asynchronous algorithms, the number of iterations to reach the
222 convergence depends on  the delay of messages. With  synchronous iterations, the
223 number of  iterations is exactly  the same than  in the sequential mode  (if the
224 parallelization process does  not change the algorithm). So  the difficulty with
225 asynchronous algorithms comes from the fact it is necessary to run the algorithm
226 with real data. In fact, from an execution to another the order of messages will
227 change and the  number of iterations to reach the  convergence will also change.
228 According  to all  the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of
229 nodes,  inter  and  intra clusrters  bandwith  and  latency,  ....) and  of  the
230 algorithm  (number   of  splitting  with  the   multisplitting  algorithm),  the
231 multisplitting code  will obtain the solution  more or less  quickly. Or course,
232 the GMRES method also depends of the same parameters. As it is difficult to have
233 access to  many clusters,  grids or supercomputers  with many  different network
234 parameters,  it  is  interesting  to  be  able  to  simulate  the  behaviors  of
235 asynchronous iterative algoritms before being able to runs real experiments.
236
237
238
239
240
241
242 \section{SimGrid}
243
244 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
245 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
246 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
247 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
248 date from 1999, but it's still actively developed and distributed as an open
249 source software.  Today, it's one of the major generic tools in the field of
250 simulation for large-scale distributed systems.
251
252 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
253 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
254 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
255 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
256 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work exposed in
257 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
258 standard~\cite{bedaride:hal-00919507}, and supports applications written in C or
259 Fortran, with little or no modifications.
260
261 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated on a
262 single machine.  The application code is really executed, but some operations
263 like the communications are intercepted, and their running time is computed
264 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
265 description of this target platform is given as an input for the execution, by
266 the mean of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
267 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
268 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The simulated running
269 time of the application is computed according to these properties.
270
271 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
272 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
273 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows to run relatively fast
274 simulations, while still keeping accurate
275 results~\cite{bedaride:hal-00919507,tomacs13}.  Moreover, depending on the
276 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
277 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
278 skipped, but the results have no importance for the simulation results, there is
279 also the possibility to share dynamically allocated data structures between
280 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
281 These two techniques can help to run simulations at a very large scale.
282
283 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
284 \section{Simulation of the multisplitting method}
285 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
286 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  
287 \begin{equation*}
288   \left(\begin{array}{ccc}
289       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
290       \vdots & \ddots & \vdots\\
291       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
292     \end{array} \right)
293   \times
294   \left(\begin{array}{c}
295       X_1 \\
296       \vdots\\
297       X_L
298     \end{array} \right)
299   =
300   \left(\begin{array}{c}
301       B_1 \\
302       \vdots\\
303       B_L
304     \end{array} \right)
305 \end{equation*}
306 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$
307 are assigned to one cluster, where for all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, $A_{\ell
308   m}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_\ell\times n_m$, $X_\ell$ and
309 $B_\ell$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, of size $n_\ell$ each,
310 and $\sum_{\ell} n_\ell=\sum_{m} n_m=n$.
311
312 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
313 \begin{equation}
314   \label{eq:4.1}
315   \left\{
316     \begin{array}{l}
317       A_{\ell\ell}X_\ell = Y_\ell \text{, such that}\\
318       Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m
319     \end{array}
320   \right.
321 \end{equation}
322 is solved independently by a cluster and communications are required to update
323 the right-hand side sub-vector $Y_\ell$, such that the sub-vectors $X_m$
324 represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system
325 (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our
326 multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is
327 easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we
328 use the parallel algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most
329 used iterative method by many researchers.
330
331 \begin{figure}[!t]
332   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
333   %%% instead
334 \begin{algorithmic}[1]
335 \Input $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
336 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\medskip
337
338 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
339 \State Set the initial guess $x^0$
340 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
341 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
342 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
343 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_\ell^{k+1}$ to neighboring clusters
344 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq \ell}$
345 \EndFor
346
347 \Statex
348
349 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
350 \State Compute local right-hand side $Y_\ell$:
351        \begin{equation*}
352          Y_\ell = B_\ell - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0
353        \end{equation*}
354 \State Solving sub-system $A_{\ell\ell}X_\ell^k=Y_\ell$ with the parallel GMRES method
355 \State \Return $X_\ell^k$
356 \EndFunction
357 \end{algorithmic}
358 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
359 \label{algo:01}
360 \end{figure}
361
362 Algorithm on Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
363 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
364 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
365 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
366 cluster of processors. For all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and
367 vectors with the subscript $\ell$ represent the local data for cluster $\ell$,
368 while $\{A_{\ell m}\}_{m\neq \ell}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix
369 $A$ and $\{X_m\}_{m\neq \ell}$ contain vector elements of solution $x$ shared
370 with neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous
371 communications are performed between processors of the local cluster and those
372 of distant clusters (lines~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in
373 Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are
374 exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
375
376 \begin{figure}[!t]
377 \centering
378   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
379 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
380 \label{fig:4.1}
381 \end{figure}
382
383 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
384 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
385 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
386 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
387 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
388 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
389 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
390 is achieved. So starting from the cluster with rank 1, each master processor $i$
391 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
392 \textit{False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the
393 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
394 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
395 cluster 1 broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work,
396 the local convergence on each cluster $\ell$ is detected when the following
397 condition is satisfied
398 \begin{equation*}
399   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_\ell^k - X_\ell^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
400 \end{equation*}
401 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
402 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
403 $X_\ell^k$ and $X_\ell^{k+1}$.
404
405 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
406 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
407 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 
408 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
409 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.
410 \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}
411 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.
412 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 
413 global variables have been moved to local variables for each subroutine. In fact, global variables generate side effects arising from the concurrent access of 
414 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
415 also to be reviewed.
416 \AG{À propos de ces problèmes d'alignement, en dire plus si ça a un intérêt, ou l'enlever.}
417  Finally, some compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed with the latest version of SimGrid.
418 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 
419 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. 
420
421
422
423 \section{Experimental results}
424
425 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
426 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
427 study that the results depend on the following parameters:  
428 \begin{itemize}
429 \item At the network level, we found that the most critical values are the
430   bandwidth and the network latency.
431 \item Hosts power (GFlops) can also influence on the results.
432 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
433   passed to the program like the maximum number of iterations or the external
434   precision are critical. They allow to ensure not only the convergence of the
435   algorithm but also to get the main objective of the experimentation of the
436   simulation in having an execution time in asynchronous less than in
437   synchronous mode. The ratio between the execution time of asynchronous
438   compared to the synchronous mode is defined as the \emph{relative gain}. So,
439   our objective running the algorithm in SimGrid is to obtain a relative gain
440   greater than 1.
441   \AG{$t_\text{async} / t_\text{sync} > 1$, l'objectif est donc que ça dure plus
442     longtemps (que ça aille moins vite) en asynchrone qu'en synchrone ?
443     Ce n'est pas plutôt l'inverse ?}
444 \end{itemize}
445
446 A priori, obtaining a relative gain greater than 1 would be difficult in a local
447 area network configuration where the synchronous mode will take advantage on the
448 rapid exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology
449 adopted was to launch the application on clustered network. In this last
450 configuration, degrading the inter-cluster network performance will penalize the
451 synchronous mode allowing to get a relative gain greater than 1.  This action
452 simulates the case of distant clusters linked with long distance network like
453 Internet.
454
455 \AG{Cette partie sur le poisson 3D
456   % on sait donc que ce n'est pas une plie ou une sole (/me fatigué)
457   n'est pas à sa place.  Elle devrait être placée plus tôt.}
458 In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
459 \begin{equation}
460 \left\{
461 \begin{array}{l}
462 \nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
463 u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
464 \end{array}
465 \right.
466 \label{eq:02}
467 \end{equation}
468 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 
469 \begin{equation}
470 \begin{array}{ll}
471 u^{k+1}(x,y,z)= & u^k(x,y,z) - \frac{1}{6}\times\\
472                & (u^k(x-1,y,z) + u^k(x+1,y,z) + \\
473                & u^k(x,y-1,z) + u^k(x,y+1,z) + \\
474                & u^k(x,y,z-1) + u^k(x,y,z+1)),
475 \end{array}
476 \label{eq:03}
477 \end{equation} 
478 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. 
479
480 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. 
481
482 \begin{figure}[!t]
483 \centering
484   \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
485 \caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
486 \label{fig:4.2}
487 \end{figure}
488
489
490 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
491 containing 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above
492 factors have provided the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a
493 matrix size ranging from $N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 171 elements or from
494 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{171}^\text{3} =
495 \text{\np{5000211}}$ entries.
496 \AG{Expliquer comment lire les tableaux.}
497
498 % use the same column width for the following three tables
499 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
500 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
501   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
502   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
503                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
504     \end{tabular}}
505
506 \begin{table}[!t]
507   \centering
508   \caption{2 clusters, each with 50 nodes}
509   \label{tab.cluster.2x50}
510
511   \begin{mytable}{6}
512     \hline
513     bandwidth
514     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         & 50 \\
515     \hline
516     latency
517     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\
518     \hline
519     power
520     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\
521     \hline
522     size
523     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       & 110 \\
524     \hline
525     Prec/Eprec
526     & \np{E-5}   & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\
527     \hline
528     \hline
529     Relative gain
530     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54     & 2.53 \\
531     \hline
532   \end{mytable}
533
534   \bigskip
535
536   \begin{mytable}{6}
537     \hline
538     bandwidth
539     & 50        & 50        & 50        & 50        & 10        & 10 \\
540     \hline
541     latency
542     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.03      & 0.01 \\
543     \hline
544     power
545     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1         & 1.5 \\
546     \hline
547     size
548     & 120       & 130       & 140       & 150       & 171       & 171 \\
549     \hline
550     Prec/Eprec
551     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
552     \hline
553     \hline
554     Relative gain
555     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54     & 1.59      & 1.29 \\
556     \hline
557   \end{mytable}
558 \end{table}
559   
560 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
561 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
562 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
563 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
564 relative gains greater than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
565
566 \begin{table}[!t]
567   \centering
568   \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
569   \label{tab.cluster.3x33}
570
571   \begin{mytable}{6}
572     \hline
573     bandwidth
574     & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
575     \hline
576     latency
577     & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
578     \hline
579     power
580     & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
581     \hline
582     size
583     & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
584     \hline
585     Prec/Eprec
586     & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
587     \hline
588     \hline
589     Relative gain
590     & 1.003    & 1.01     & 1.08     & 1.19     & 1.28     & 1.01 \\
591     \hline
592   \end{mytable}
593 \end{table}
594
595 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
596 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
597 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
598
599 \begin{table}[!t]
600   \centering
601   \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
602   \label{tab.cluster.3x67}
603
604   \begin{mytable}{1}
605     \hline
606     bandwidth  & 1 \\
607     \hline
608     latency    & 0.02 \\
609     \hline
610     power      & 1 \\
611     \hline
612     size       & 62 \\
613     \hline
614     Prec/Eprec & \np{E-5} \\
615     \hline
616     \hline
617     Relative gain    & 1.11 \\
618     \hline
619   \end{mytable}
620 \end{table}
621
622 Note that the program was run with the following parameters:
623
624 \paragraph*{SMPI parameters}
625
626 ~\\{}\AG{Donner un peu plus de précisions (plateforme en particulier).}
627 \begin{itemize}
628 \item HOSTFILE: Hosts file description.
629 \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU
630   power, \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network
631   (bandwidth, latency, \dots{}).
632 \end{itemize}
633
634
635 \paragraph*{Arguments of the program}
636
637 \begin{itemize}
638         \item Description of the cluster architecture;
639         \item Maximum number of internal and external iterations;
640         \item Internal and external precisions;
641         \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
642         \item Matrix diagonal value: \np{6.0};
643         \item Matrix off-diagonal value: \np{-1.0};
644         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
645 \end{itemize}
646
647 \paragraph*{Interpretations and comments}
648
649 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
650 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}
651 and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the used parameters affecting
652 the results have given a relative gain more than 2.5, showing the effectiveness of the
653 asynchronous performance compared to the synchronous mode.
654
655 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
656 that with a deterioration of inter cluster network set with \np[Mbit/s]{5} of
657 bandwidth, a latency in order of a hundredth of a millisecond and a system power
658 of one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is
659 obtained for a matrix size of 62 elements. It is noticed that the result remains
660 stable even if we vary the external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
661 increasing the matrix size up to 100 elements, it was necessary to increase the
662 CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a convergence of the algorithm
663 with the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining such a system
664 power but this time, increasing network throughput inter cluster up to
665 \np[Mbit/s]{50}, the result of efficiency with a relative gain of 1.5\AG[]{2.5 ?} is obtained with
666 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150 side
667 elements.
668
669 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
670 Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
671 which gives a relative gain of asynchronous mode more than 1.2. Indeed, for a
672 matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
673 (synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
674 \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
675 inter cluster network bandwidth from 5 to \np[Mbit/s]{2}.
676 \AG{Conclusion, on prend une plateforme pourrie pour avoir un bon ratio sync/async ???
677   Quelle est la perte de perfs en faisant ça ?}
678
679 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
680 with 200 nodes in total. The convergence with a relative gain around 1.1 was
681 obtained with a bandwidth of \np[Mbit/s]{1} as shown in
682 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
683
684 \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...}
685 \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 :-)}
686 \LZK{Ma question est: le bandwidth et latency sont ceux inter-clusters ou pour les deux inter et intra cluster??}
687
688 \section{Conclusion}
689 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
690 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
691 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
692 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
693 reach the following three objectives: 
694
695 \begin{enumerate}
696 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
697 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
698 resources;
699 \item to ensure the algorithm convergence with a reasonable time and
700 iteration number ;
701 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
702 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
703 executing the algorithm in asynchronous mode.
704 \end{enumerate}
705 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
706 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
707 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
708 and more increasing size.
709
710  Several studies have already addressed the performance execution time of 
711 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
712 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
713 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
714 mode in a grid architecture. 
715
716 \LZK{Perspectives???}
717
718 \section*{Acknowledgment}
719
720 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
721 \todo[inline]{The authors would like to thank\dots{}}
722
723 % trigger a \newpage just before the given reference
724 % number - used to balance the columns on the last page
725 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
726 % the document is modified later
727 \bibliographystyle{IEEEtran}
728 \bibliography{IEEEabrv,hpccBib}
729
730
731
732 \end{document}
733
734 %%% Local Variables:
735 %%% mode: latex
736 %%% TeX-master: t
737 %%% fill-column: 80
738 %%% ispell-local-dictionary: "american"
739 %%% End:
740
741 % LocalWords:  Ramamonjisoa Laiymani Arnaud Giersch Ziane Khodja Raphaël Femto
742 % LocalWords:  Université Franche Comté IUT Montbéliard Maréchal Juin Inria Sud
743 % LocalWords:  Ouest Vieille Talence cedex scalability experimentations HPC MPI
744 % LocalWords:  Parallelization AIAC GMRES multi SMPI SISC SIAC SimDAG DAGs Lua
745 % LocalWords:  Fortran GFlops priori Mbit de du fcomte multisplitting scalable
746 % LocalWords:  SimGrid Belfort parallelize Labex ANR LABX IEEEabrv hpccBib
747 % LocalWords:  intra durations nonsingular Waitall discretization discretized
748 % LocalWords:  InnerSolver Isend Irecv