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1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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12 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
13 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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42
43 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
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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 <<<<<<< HEAD
139 To our knowledge, there is no existing work on the large-scale simulation of a
140 real AIAC application. The aim of this paper is twofold. First we give a first
141 approach of the simulation of AIAC algorithms using a simulation tool (i.e. the
142 SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}). Second, we confirm the effectiveness of
143 asynchronous mode algorithms by comparing their performance with the synchronous
144 mode. More precisely, we had implemented a program for solving large
145 linear system of equations by numerical method GMRES (Generalized
146 Minimal Residual) \cite{ref1}. We show, that with minor modifications of the
147 initial MPI code, the SimGrid toolkit allows us to perform a test campaign of a
148 real AIAC application on different computing architectures. The simulated
149 results we obtained are in line with real results exposed in ??\AG[]{ref?}.
150 SimGrid had allowed us to launch the application from a modest computing
151 infrastructure by simulating different distributed architectures composed by
152 clusters nodes interconnected by variable speed networks. In the simulated environment, after setting appropriate 
153 network and cluster parameters like the network bandwidth, latency or the processors power, 
154 the experimental results have demonstrated a asynchronous execution time saving up to \np[\%]{40} in
155 compared to the synchronous mode.
156 \AG{Il faudrait revoir la phrase précédente (couper en deux?).  Là, on peut
157   avoir l'impression que le gain de \np[\%]{40} est entre une exécution réelle
158   et une exécution simulée!}
159 \CER{La phrase a été modifiée}
160
161 This article is structured as follows: after this introduction, the next  section will give a brief description of
162 iterative asynchronous model.  Then, the simulation framework SimGrid is presented with the settings to create various
163 distributed architectures. The algorithm of  the multisplitting method based on GMRES \LZK{??? GMRES n'utilise pas la méthode de multisplitting! Sinon ne doit on pas expliquer le choix d'une méthode de multisplitting?} \CER{La phrase a été corrigée} written with MPI primitives and
164 its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) is detailed in the next section. At last, the experiments results
165 carried out will be presented before some concluding remarks and future works.
166 =======
167 To our knowledge,  there is no existing work on the  large-scale simulation of a
168 real  AIAC application.   {\bf  The contribution  of  the present  paper can  be
169   summarised  in two  main  points}.  First  we  give a  first  approach of  the
170 simulation  of  AIAC algorithms  using  a  simulation  tool (i.e.   the  SimGrid
171 toolkit~\cite{SimGrid}).    Second,  we   confirm  the   effectiveness   of  the
172 asynchronous  multisplitting algorithm  by  comparing its  performance with  the
173 synchronous GMRES (Generalized Minimal  Residual) \cite{ref1}.  Both these codes
174 can be  used to  solve large linear  systems. In  this paper, we  focus on  a 3D
175 Poisson  problem.  We show,  that with  minor modifications  of the  initial MPI
176 code, the SimGrid  toolkit allows us to  perform a test campaign of  a real AIAC
177 application on different computing architectures.
178 % The  simulated results  we
179 %obtained are  in line with real  results exposed in  ??\AG[]{ref?}. 
180 SimGrid  had  allowed us  to  launch the  application  from  a modest  computing
181 infrastructure  by simulating  different distributed  architectures  composed by
182 clusters  nodes interconnected by  variable speed  networks.  Parameters  of the
183 network  platforms  are   the  bandwidth  and  the  latency   of  inter  cluster
184 network. Parameters on the cluster's architecture are the number of machines and
185 the  computation power  of a  machine.  Simulations show  that the  asynchronous
186 multisplitting algorithm  can solve the  3D Poisson problem  approximately twice
187 faster than GMRES with two distant clusters.
188
189
190
191 This article is structured as follows: after this introduction, the next section
192 will  give a  brief  description  of iterative  asynchronous  model.  Then,  the
193 simulation framework  SimGrid is presented  with the settings to  create various
194 distributed architectures.  Then, the  multisplitting method is presented, it is
195 based  on GMRES to  solve each  block obtained  of the  splitting. This  code is
196 written with MPI  primitives and its adaptation to  SimGrid with SMPI (Simulated
197 MPI) is  detailed in the next  section. At last, the  simulation results carried
198 out will be presented before some concluding remarks and future works.
199 >>>>>>> 6785b9ef58de0db67c33ca901c7813f3dfdc76e0
200  
201 \section{Motivations and scientific context}
202
203 As exposed in  the introduction, parallel iterative methods  are now widely used
204 in  many  scientific domains.  They  can be  classified  in  three main  classes
205 depending on  how iterations  and communications are  managed (for  more details
206 readers can refer to~\cite{bcvc06:ij}). In the \textit{Synchronous Iterations~--
207   Synchronous Communications (SISC)} model data are exchanged at the end of each
208 iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
209 important  idle  times  on  processors are  generated.  The  \textit{Synchronous
210   Iterations~-- Asynchronous Communications (SIAC)} model can be compared to the
211 previous  one  except   that  data  required  on  another   processor  are  sent
212 asynchronously  i.e.   without  stopping  current computations.  This  technique
213 allows to  partially overlap  communications by computations  but unfortunately,
214 the overlapping  is only partial and  important idle times remain.   It is clear
215 that, in  a grid computing context,  where the number of  computational nodes is
216 large,  heterogeneous  and  widely  distributed,  the idle  times  generated  by
217 synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use
218 the  \textit{Asynchronous   Iterations~--  Asynchronous  Communications  (AIAC)}
219 model.   Here,  local   computations  do   not   need  to   wait  for   required
220 data. Processors can then perform their iterations with the data present at that
221 time.  Figure~\ref{fig:aiac}  illustrates  this  model  where  the  gray  blocks
222 represent the  computation phases.  With  this algorithmic model, the  number of
223 iterations required before the convergence is generally greater than for the two
224 former classes.  But, and as  detailed in~\cite{bcvc06:ij}, AIAC  algorithms can
225 significantly reduce  overall execution times  by suppressing idle times  due to
226 synchronizations  especially  in a  grid  computing context.
227 %\LZK{Répétition  par  rapport à l'intro}
228
229 \begin{figure}[!t]
230   \centering
231     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
232   \caption{The Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications model}
233   \label{fig:aiac}
234 \end{figure}
235
236 \RC{Je serais partant de virer AIAC et laisser asynchronous algorithms... à voir}
237
238 %% It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
239 %% heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
240 %% engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
241 %% these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
242 %% novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
243 %% the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
244 %% large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
245 %% context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
246 %% scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
247 %% promising. Several works\dots{}
248
249 %% \AG{Several works\dots{} what?\\
250 %  Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
251 In the context of asynchronous algorithms, the number of iterations to reach the
252 convergence depends on  the delay of messages. With  synchronous iterations, the
253 number of  iterations is exactly  the same than  in the sequential mode  (if the
254 parallelization process does  not change the algorithm). So  the difficulty with
255 asynchronous algorithms comes from the fact it is necessary to run the algorithm
256 with real data. In fact, from an execution to another the order of messages will
257 change and the  number of iterations to reach the  convergence will also change.
258 According  to all  the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of
259 nodes,  inter  and  intra clusrters  bandwith  and  latency,  ....) and  of  the
260 algorithm  (number   of  splitting  with  the   multisplitting  algorithm),  the
261 multisplitting code  will obtain the solution  more or less  quickly. Or course,
262 the GMRES method also depends of the same parameters. As it is difficult to have
263 access to  many clusters,  grids or supercomputers  with many  different network
264 parameters,  it  is  interesting  to  be  able  to  simulate  the  behaviors  of
265 asynchronous iterative algoritms before being able to runs real experiments.
266
267
268
269
270
271
272 \section{SimGrid}
273
274 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
275 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
276 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
277 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
278 date from 1999, but it's still actively developed and distributed as an open
279 source software.  Today, it's one of the major generic tools in the field of
280 simulation for large-scale distributed systems.
281
282 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
283 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
284 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
285 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
286 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work exposed in
287 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
288 standard~\cite{bedaride:hal-00919507}, and supports applications written in C or
289 Fortran, with little or no modifications.
290
291 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated on a
292 single machine.  The application code is really executed, but some operations
293 like the communications are intercepted, and their running time is computed
294 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
295 description of this target platform is given as an input for the execution, by
296 the mean of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
297 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
298 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The simulated running
299 time of the application is computed according to these properties.
300
301 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
302 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
303 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows to run relatively fast
304 simulations, while still keeping accurate
305 results~\cite{bedaride:hal-00919507,tomacs13}.  Moreover, depending on the
306 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
307 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
308 skipped, but the results have no importance for the simulation results, there is
309 also the possibility to share dynamically allocated data structures between
310 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
311 These two techniques can help to run simulations at a very large scale.
312
313 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
314 \section{Simulation of the multisplitting method}
315 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
316 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  
317 \begin{equation*}
318   \left(\begin{array}{ccc}
319       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
320       \vdots & \ddots & \vdots\\
321       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
322     \end{array} \right)
323   \times
324   \left(\begin{array}{c}
325       X_1 \\
326       \vdots\\
327       X_L
328     \end{array} \right)
329   =
330   \left(\begin{array}{c}
331       B_1 \\
332       \vdots\\
333       B_L
334     \end{array} \right)
335 \end{equation*}
336 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$
337 are assigned to one cluster, where for all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, $A_{\ell
338   m}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_\ell\times n_m$, $X_\ell$ and
339 $B_\ell$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, of size $n_\ell$ each,
340 and $\sum_{\ell} n_\ell=\sum_{m} n_m=n$.
341
342 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
343 \begin{equation}
344   \label{eq:4.1}
345   \left\{
346     \begin{array}{l}
347       A_{\ell\ell}X_\ell = Y_\ell \text{, such that}\\
348       Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m
349     \end{array}
350   \right.
351 \end{equation}
352 is solved independently by a cluster and communications are required to update
353 the right-hand side sub-vector $Y_\ell$, such that the sub-vectors $X_m$
354 represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system
355 (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our
356 multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is
357 easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we
358 use the parallel algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most
359 used iterative method by many researchers.
360
361 \begin{figure}[!t]
362   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
363   %%% instead
364 \begin{algorithmic}[1]
365 \Input $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
366 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\medskip
367
368 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
369 \State Set the initial guess $x^0$
370 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
371 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
372 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
373 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_\ell^{k+1}$ to neighboring clusters
374 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq \ell}$
375 \EndFor
376
377 \Statex
378
379 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
380 \State Compute local right-hand side $Y_\ell$:
381        \begin{equation*}
382          Y_\ell = B_\ell - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0
383        \end{equation*}
384 \State Solving sub-system $A_{\ell\ell}X_\ell^k=Y_\ell$ with the parallel GMRES method
385 \State \Return $X_\ell^k$
386 \EndFunction
387 \end{algorithmic}
388 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
389 \label{algo:01}
390 \end{figure}
391
392 Algorithm on Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
393 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
394 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
395 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
396 cluster of processors. For all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and
397 vectors with the subscript $\ell$ represent the local data for cluster $\ell$,
398 while $\{A_{\ell m}\}_{m\neq \ell}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix
399 $A$ and $\{X_m\}_{m\neq \ell}$ contain vector elements of solution $x$ shared
400 with neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous
401 communications are performed between processors of the local cluster and those
402 of distant clusters (lines~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in
403 Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are
404 exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
405
406 \begin{figure}[!t]
407 \centering
408   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
409 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
410 \label{fig:4.1}
411 \end{figure}
412
413 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
414 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
415 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
416 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
417 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
418 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
419 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
420 is achieved. So starting from the cluster with rank 1, each master processor $i$
421 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
422 \textit{False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the
423 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
424 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
425 cluster 1 broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work,
426 the local convergence on each cluster $\ell$ is detected when the following
427 condition is satisfied
428 \begin{equation*}
429   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_\ell^k - X_\ell^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
430 \end{equation*}
431 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
432 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
433 $X_\ell^k$ and $X_\ell^{k+1}$.
434
435
436
437 In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
438 \begin{equation}
439 \left\{
440 \begin{array}{l}
441 \nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
442 u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
443 \end{array}
444 \right.
445 \label{eq:02}
446 \end{equation}
447 where $\nabla^2$ is the Laplace operator, $f$ and $u$ are real-valued functions, and $\Omega=[0,1]^3$. The spatial discretization with a finite difference scheme reduces problem~(\ref{eq:02}) to a system of sparse linear equations. The general iteration scheme of our multisplitting method in a 3D domain using a seven point stencil could be written as 
448 \begin{equation}
449 \begin{array}{ll}
450 u^{k+1}(x,y,z)= & u^k(x,y,z) - \frac{1}{6}\times\\
451                & (u^k(x-1,y,z) + u^k(x+1,y,z) + \\
452                & u^k(x,y-1,z) + u^k(x,y+1,z) + \\
453                & u^k(x,y,z-1) + u^k(x,y,z+1)),
454 \end{array}
455 \label{eq:03}
456 \end{equation} 
457 where the iteration matrix $A$ of size $N_x\times N_y\times N_z$ of the discretized linear system is sparse, symmetric and positive definite. 
458
459 The parallel solving of the 3D Poisson problem with our multisplitting method requires a data partitioning of the problem between clusters and between processors within a cluster. We have chosen the 3D partitioning instead of the row-by-row partitioning in order to reduce the data exchanges at sub-domain boundaries. Figure~\ref{fig:4.2} shows an example of the data partitioning of the 3D Poisson problem between two clusters of processors, where each sub-problem is assigned to a processor. In this context, a processor has at most six neighbors within a cluster or in distant clusters with which it shares data at sub-domain boundaries. 
460
461 \begin{figure}[!t]
462 \centering
463   \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
464 \caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
465 \label{fig:4.2}
466 \end{figure}
467
468
469
470
471 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
472 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
473 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 
474 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
475 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.
476 \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} 
477 \CER{Le problème majeur sur l'adaptation MPI vers SMPI pour la partie asynchrone de l'algorithme a été le plantage en SMPI de Waitall après un Isend et Irecv. J'avais proposé un workaround en utilisant un MPI\_wait séparé pour chaque échange a la place d'un waitall unique pour TOUTES les échanges, une instruction qui semble bien fonctionner en MPI. Ce workaround aussi fonctionne bien. Mais après, tu as modifié le programme avec l'ajout d'un MPI\_Test, au niveau de la routine de détection de la convergence et du coup, l'échange global avec waitall a aussi fonctionné.}
478 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.
479 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 
480 global variables have been moved to local variables for each subroutine. In fact, global variables generate side effects arising from the concurrent access of 
481 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
482 also to be reviewed.
483 \AG{À propos de ces problèmes d'alignement, en dire plus si ça a un intérêt, ou l'enlever.}
484 \CER{Ce problème fait partie des modifications que j'ai dû faire dans l'adaptation du programme MPI vers SMPI. IL découle de la différence de la taille des mots en mémoire : en 32 bits, pour les variables declarees en long int, on garde dans les instructions de sortie (printf, sprintf, ...) le format \%lu sinon en 64 bits, on le substitue par \%llu.} 
485  Finally, some compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed with the latest version of SimGrid.
486 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 
487 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. 
488
489
490
491 \section{Simulation results}
492
493 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
494 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
495 study that the results depend on the following parameters:  
496 \begin{itemize}
497 \item At the network level, we found that the most critical values are the
498   bandwidth and the network latency.
499 \item Hosts processors power (GFlops) can also influence on the results.
500 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
501   passed to the program like the maximum number of iterations or the precision are critical. They allow us to ensure not only the convergence of the
502   algorithm but also to get the main objective in getting an execution time in asynchronous communication less than in
503   synchronous mode. The ratio between the execution time of synchronous
504   compared to the asynchronous mode ($t_\text{sync} / t_\text{async}$) is defined as the \emph{relative gain}. So,
505   our objective running the algorithm in SimGrid is to obtain a relative gain
506   greater than 1.
507   \AG{$t_\text{async} / t_\text{sync} > 1$, l'objectif est donc que ça dure plus
508     longtemps (que ça aille moins vite) en asynchrone qu'en synchrone ?
509     Ce n'est pas plutôt l'inverse ?}
510   \CER{J'ai modifie la phrase.}
511 \end{itemize}
512
513 A priori, obtaining a relative gain greater than 1 would be difficult in a local
514 area network configuration where the synchronous mode will take advantage on the
515 rapid exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology
516 adopted was to launch the application on a clustered network. In this
517 configuration, degrading the inter-cluster network performance will penalize the
518 synchronous mode allowing to get a relative gain greater than 1.  This action
519 simulates the case of distant clusters linked with long distance network as in grid computing context.
520
521
522 % As a first step, 
523 The algorithm was run on a two clusters based network with 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above
524 factors have provided the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50}. The algorithm convergence with a 3D
525 matrix size ranging from $N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 150 elements (that is from
526 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{150}^\text{3} =
527 \text{\np{3375000}}$ entries), is obtained in asynchronous in average 2.5 times speeder than the synchronous mode. 
528 \AG{Expliquer comment lire les tableaux.}
529 \CER{J'ai reformulé la phrase par la lecture du tableau. Plus de détails seront lus dans la partie Interprétations et commentaires}
530 % use the same column width for the following three tables
531 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
532 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
533   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
534   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
535                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
536     \end{tabular}}
537
538 \begin{table}[!t]
539   \centering
540   \caption{2 clusters, each with 50 nodes}
541   \label{tab.cluster.2x50}
542
543   \begin{mytable}{6}
544     \hline
545     bandwidth (Mbits/s)
546     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         & 50 \\
547     \hline
548     latency (ms)
549     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\
550     \hline
551     power (GFlops)
552     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\
553     \hline
554     size
555     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       & 110 \\
556     \hline
557     Precision
558     & \np{E-5}   & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\
559     \hline
560     \hline
561     Relative gain
562     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54     & 2.53 \\
563     \hline
564   \end{mytable}
565
566   \bigskip
567
568   \begin{mytable}{6}
569     \hline
570     bandwidth (Mbits/s)
571     & 50        & 50        & 50        & 50 \\ %       & 10        & 10 \\
572     \hline
573     latency (ms)
574     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\ %      & 0.03      & 0.01 \\
575     \hline
576     Power (GFlops)
577     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\ %      & 1         & 1.5 \\
578     \hline
579     size
580     & 120       & 130       & 140       & 150  \\ %     & 171       & 171 \\
581     \hline
582     Precision
583     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\ % & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
584     \hline
585     \hline
586     Relative gain
587     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54   \\ %  & 1.59      & 1.29 \\
588     \hline
589   \end{mytable}
590 \end{table}
591   
592 %Then we have changed the network configuration using three clusters containing
593 %respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
594 %clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
595 %permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
596 %relative gains greater than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
597
598 \CER{En accord avec RC, on a pour le moment enlevé les tableaux 2 et 3 sachant que les résultats obtenus sont limites. De même, on a enlevé aussi les deux dernières colonnes du tableau I en attendant une meilleure performance et une meilleure precision}
599 %\begin{table}[!t]
600 %  \centering
601 %  \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
602 %  \label{tab.cluster.3x33}
603 %
604 %  \begin{mytable}{6}
605 %    \hline
606 %    bandwidth 
607 %    & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
608 %    \hline
609 %    latency
610 %    & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
611 %    \hline
612 %    power
613 %    & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
614 %    \hline
615 %    size
616 %    & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
617 %    \hline
618 %    Prec/Eprec
619 %    & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
620 %    \hline
621 %    \hline
622 %    Relative gain
623 %    & 1.003    & 1.01     & 1.08     & 1.19     & 1.28     & 1.01 \\
624 %    \hline
625 %  \end{mytable}
626 %\end{table}
627
628 %In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
629 %configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
630 %Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
631
632 %\begin{table}[!t]
633 %  \centering
634 %  \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
635 %  \label{tab.cluster.3x67}
636 %
637 %  \begin{mytable}{1}
638 %    \hline
639 %    bandwidth  & 1 \\
640 %    \hline
641 %    latency    & 0.02 \\
642 %    \hline
643 %    power      & 1 \\
644 %    \hline
645 %    size       & 62 \\
646 %    \hline
647 %    Prec/Eprec & \np{E-5} \\
648 %    \hline
649 %    \hline
650 %    Relative gain    & 1.11 \\
651 %    \hline
652 %  \end{mytable}
653 %\end{table}
654
655 Note that the program was run with the following parameters:
656
657 \paragraph*{SMPI parameters}
658
659 ~\\{}\AG{Donner un peu plus de précisions (plateforme en particulier).}
660 \CER {Précisions ajoutées}
661
662 \begin{itemize}
663 \item HOSTFILE: Text file containing the list of the processors units name. Here 100 hosts;
664 \item PLATFORM: XML file description of the platform architecture : two clusters (cluster1 and cluster2) with the following characteristics :
665
666         - Processor unit power : 1.5 GFlops;
667
668         - Intracluster network : bandwidth = 1,25 Gbits/s and latency = 5E-05 ms;
669
670         - Intercluster network : bandwidth = 5 Mbits/s and latency = 5E-03 ms;
671 \end{itemize}
672
673
674 \paragraph*{Arguments of the program}
675
676 \begin{itemize}
677         \item Description of the cluster architecture matching the format <Number of cluster> <Number of hosts in cluster\_1> <Number of hosts in cluster\_2>;
678         \item Maximum number of iterations;
679         \item Precisions on the residual error;
680         \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
681         \item Matrix diagonal value: \np{1.0}   (See (3));
682         \item Matrix off-diagonal value: $-\frac{1}{6}$         (See(3));
683         \item Communication mode: Asynchronous.
684 \end{itemize}
685
686 \paragraph*{Interpretations and comments}
687
688 After analyzing the outputs, generally, for the two clusters including one hundred hosts configuration (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}), some combinations of parameters affecting
689 the results have given a relative gain more than 2.5, showing the effectiveness of the
690 asynchronous performance compared to the synchronous mode.
691
692 With these settings, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
693 that after a deterioration of inter cluster network with a bandwidth of \np[Mbit/s]{5} and a latency in order of one hundredth of millisecond and a processor power
694 of one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} is
695 obtained in asynchronous mode for a matrix size of 62 elements. It is noticed that the result remains
696 stable even we vary the residual error precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
697 increasing the matrix size up to 100 elements, it was necessary to increase the
698 CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} to get the algorithm convergence and the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining such processor power but increasing network throughput inter cluster up to
699 \np[Mbit/s]{50}, the result of efficiency with a relative gain of 2.5\AG[]{2.5 ?} is obtained with
700 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150 side
701 elements.
702
703 %For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
704 %Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
705 %which gives a relative gain of asynchronous mode more than 1.2. Indeed, for a
706 %matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
707 %(synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
708 %\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
709 %inter cluster network bandwidth from 5 to \np[Mbit/s]{2}.
710 \AG{Conclusion, on prend une plateforme pourrie pour avoir un bon ratio sync/async ???
711   Quelle est la perte de perfs en faisant ça ?}
712
713 %A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
714 %with 200 nodes in total. The convergence with a relative gain around 1.1 was
715 %obtained with a bandwidth of \np[Mbit/s]{1} as shown in
716 %Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
717
718 \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...}
719 \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 :-)}
720 \LZK{Ma question est: le bandwidth et latency sont ceux inter-clusters ou pour les deux inter et intra cluster??}
721 \CER{Définitivement, les paramètres réseaux variables ici se rapportent au réseau INTER cluster.}
722 \section{Conclusion}
723 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
724 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
725 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
726 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
727 reach the following three objectives: 
728
729 \begin{enumerate}
730 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
731 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
732 resources;
733 \item to ensure the algorithm convergence with a reasonable time and
734 iteration number ;
735 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
736 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
737 executing the algorithm in asynchronous mode.
738 \end{enumerate}
739 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
740 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
741 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
742 and more increasing size.
743
744  Several studies have already addressed the performance execution time of 
745 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
746 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
747 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
748 mode in a grid architecture. 
749
750 \LZK{Perspectives???}
751
752 \section*{Acknowledgment}
753
754 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
755 \todo[inline]{The authors would like to thank\dots{}}
756
757 % trigger a \newpage just before the given reference
758 % number - used to balance the columns on the last page
759 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
760 % the document is modified later
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