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13 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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42
43 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
44 \newcommand{\Time}[1]{\mathit{Time}_\mathit{#1}}
45
46 \begin{document}
47
48 \title{Simulation of Asynchronous Iterative Numerical Algorithms Using SimGrid}
49
50 \author{%
51   \IEEEauthorblockN{%
52     Charles Emile Ramamonjisoa\IEEEauthorrefmark{1},
53     David Laiymani\IEEEauthorrefmark{1},
54     Arnaud Giersch\IEEEauthorrefmark{1},
55     Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2} 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 \RC{Ordre des auteurs pas définitif.}
75 \begin{abstract}
76 \AG{L'abstract est AMHA incompréhensible et ne donne pas envie de lire la suite.}
77 In recent years, the scalability of large-scale implementation in a 
78 distributed environment of algorithms becoming more and more complex has 
79 always been hampered by the limits of physical computing resources 
80 capacity. One solution is to run the program in a virtual environment 
81 simulating a real interconnected computers architecture. The results are 
82 convincing and useful solutions are obtained with far fewer resources 
83 than in a real platform. However, challenges remain for the convergence 
84 and efficiency of a class of algorithms that concern us here, namely 
85 numerical parallel iterative algorithms executed in asynchronous mode, 
86 especially in a large scale level. Actually, such algorithm requires a 
87 balance and a compromise between computation and communication time 
88 during the execution. Two important factors determine the success of the 
89 experimentation: the convergence of the iterative algorithm on a large 
90 scale and the execution time reduction in asynchronous mode. Once again, 
91 from the current work, a simulated environment like SimGrid provides
92 accurate results which are difficult or even impossible to obtain in a 
93 physical platform by exploiting the flexibility of the simulator on the 
94 computing units clusters and the network structure design. Our 
95 experimental outputs showed a saving of up to \np[\%]{40} for the algorithm
96 execution time in asynchronous mode compared to the synchronous one with 
97 a residual precision up to \np{E-11}. Such successful results open
98 perspectives on experimentations for running the algorithm on a 
99 simulated large scale growing environment and with larger problem size. 
100
101 \LZK{Long\ldots}
102
103 % no keywords for IEEE conferences
104 % Keywords: Algorithm distributed iterative asynchronous simulation SimGrid
105 \end{abstract}
106
107 \section{Introduction}
108
109 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming  more and more imperative for solving various
110 problems raised by  researchers on various scientific disciplines but also by industrial in  the field. Indeed, the
111 increasing complexity of these requested  applications combined with a continuous increase of their sizes lead to  write
112 distributed and parallel algorithms requiring significant hardware  resources (grid computing, clusters, broadband
113 network, etc.) but also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a class of highly efficient
114 parallel algorithms called \emph{numerical iterative algorithms} executed in a distributed environment. As their name
115 suggests, these algorithms solve a given problem by successive iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value
116 $X_{0}$ to find an approximate value $X^*$ of the solution with a very low residual error. Several well-known methods
117 demonstrate the convergence of these algorithms~\cite{BT89,Bahi07}.
118
119 Parallelization of such algorithms generally involve the division of the problem into several \emph{blocks} that will
120 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will communicate each intermediate results before a new
121 iteration starts and until the approximate solution is reached. These parallel  computations can be performed either in
122 \emph{synchronous} mode where a new iteration begins only when all nodes communications are completed,
123 or in \emph{asynchronous} mode where processors can continue independently with few or no synchronization points. For
124 instance in the \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model~\cite{bcvc06:ij}, local
125 computations do not need to wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present
126 at that time. Even if the number of iterations required before the convergence is generally greater than for the
127 synchronous case, AIAC algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to
128 synchronizations especially in a grid computing context (see~\cite{Bahi07} for more details).
129
130 Parallel numerical applications (synchronous or asynchronous) may have different
131 configuration and deployment requirements.  Quantifying their resource
132 allocation policies and application scheduling algorithms in grid computing
133 environments under varying load, CPU power and network speeds is very costly,
134 very labor intensive and very time
135 consuming~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.  The case of AIAC
136 algorithms is even more problematic since they are very sensible to the
137 execution environment context. For instance, variations in the network bandwidth
138 (intra and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number
139 of clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to
140 very different execution times. Then, it appears that the use of simulation
141 tools to explore various platform scenarios and to run large numbers of
142 experiments quickly can be very promising. In this way, the use of a simulation
143 environment to execute parallel iterative algorithms found some interests in
144 reducing the highly cost of access to computing resources: (1) for the
145 applications development life cycle and in code debugging (2) and in production
146 to get results in a reasonable execution time with a simulated infrastructure
147 not accessible with physical resources. Indeed, the launch of distributed
148 iterative asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale
149 simulated environment challenges to find optimal configurations giving the best
150 results with a lowest residual error and in the best of execution time.
151
152 To our knowledge, there is no existing work on the large-scale simulation of a
153 real AIAC application. The aim of this paper is twofold. First we give a first
154 approach of the simulation of AIAC algorithms using a simulation tool (i.e. the
155 SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}). Second, we confirm the effectiveness of
156 asynchronous mode algorithms by comparing their performance with the synchronous
157 mode. More precisely, we had implemented a program for solving large
158 linear system of equations by numerical method GMRES (Generalized
159 Minimal Residual) \cite{ref1}. We show, that with minor modifications of the
160 initial MPI code, the SimGrid toolkit allows us to perform a test campaign of a
161 real AIAC application on different computing architectures. The simulated
162 results we obtained are in line with real results exposed in ??\AG[]{ref?}.
163 SimGrid had allowed us to launch the application from a modest computing
164 infrastructure by simulating different distributed architectures composed by
165 clusters nodes interconnected by variable speed networks.  With selected
166 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster
167 network) and on the clusters architecture (number, capacity calculation power)
168 in the simulated environment, the experimental results have demonstrated not
169 only the algorithm convergence within a reasonable time compared with the
170 physical environment performance, but also a time saving of up to \np[\%]{40} in
171 asynchronous mode.
172 \AG{Il faudrait revoir la phrase précédente (couper en deux?).  Là, on peut
173   avoir l'impression que le gain de \np[\%]{40} est entre une exécution réelle
174   et une exécution simulée!}
175
176 This article is structured as follows: after this introduction, the next  section will give a brief description of
177 iterative asynchronous model.  Then, the simulation framework SimGrid is presented with the settings to create various
178 distributed architectures. The algorithm of  the multisplitting method used by GMRES \LZK{??? GMRES n'utilise pas la méthode de multisplitting! Sinon ne doit on pas expliquer le choix d'une méthode de multisplitting?} written with MPI primitives and
179 its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) is detailed in the next section. At last, the experiments results
180 carried out will be presented before some concluding remarks and future works.
181  
182 \section{Motivations and scientific context}
183
184 As exposed in the introduction, parallel iterative methods are now widely used in many scientific domains. They can be
185 classified in three main classes depending on how iterations and communications are managed (for more details readers
186 can refer to~\cite{bcvc06:ij}). In the \textit{Synchronous Iterations~-- Synchronous Communications (SISC)} model data
187 are exchanged at the end of each iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
188 important idle times on processors are generated. The \textit{Synchronous Iterations~-- Asynchronous Communications
189 (SIAC)} model can be compared to the previous one except that data required on another processor are sent asynchronously
190 i.e.  without stopping current computations. This technique allows to partially overlap communications by computations
191 but unfortunately, the overlapping is only partial and important idle times remain.  It is clear that, in a grid
192 computing context, where the number of computational nodes is large, heterogeneous and widely distributed, the idle
193 times generated by synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use the
194 \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model. Here, local computations do not need to
195 wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present at that time. Figure~\ref{fig:aiac}
196 illustrates this model where the gray blocks represent the computation phases, the white spaces the idle
197 times and the arrows the communications.
198 \AG{There are no ``white spaces'' on the figure.}
199 With this algorithmic model, the number of iterations required before the
200 convergence is generally greater than for the two former classes. But, and as detailed in~\cite{bcvc06:ij}, AIAC
201 algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to synchronizations especially
202 in a grid computing context.\LZK{Répétition par rapport à l'intro}
203
204 \begin{figure}[!t]
205   \centering
206     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
207   \caption{The Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications model}
208   \label{fig:aiac}
209 \end{figure}
210
211
212 It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
213 heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
214 engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
215 these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
216 novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
217 the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
218 large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
219 context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
220 scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
221 promising. Several works\dots{}
222
223 \AG{Several works\dots{} what?\\
224   Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
225 In the context of AIAC algorithms, the use of simulation tools is even more
226 relevant. Indeed, this class of applications is very sensible to the execution
227 environment context. For instance, variations in the network bandwidth (intra
228 and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number of
229 clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to very
230 different execution times.
231
232
233
234
235 \section{SimGrid}
236
237 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
238 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
239 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
240 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
241 date from 1999, but it's still actively developed and distributed as an open
242 source software.  Today, it's one of the major generic tools in the field of
243 simulation for large-scale distributed systems.
244
245 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
246 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
247 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
248 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
249 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work exposed in
250 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
251 standard~\cite{bedaride:hal-00919507}, and supports applications written in C or
252 Fortran, with little or no modifications.
253
254 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated on a
255 single machine.  The application code is really executed, but some operations
256 like the communications are intercepted, and their running time is computed
257 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
258 description of this target platform is given as an input for the execution, by
259 the mean of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
260 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
261 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The simulated running
262 time of the application is computed according to these properties.
263
264 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
265 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
266 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows to run relatively fast
267 simulations, while still keeping accurate
268 results~\cite{bedaride:hal-00919507,tomacs13}.  Moreover, depending on the
269 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
270 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
271 skipped, but the results have no importance for the simulation results, there is
272 also the possibility to share dynamically allocated data structures between
273 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
274 These two techniques can help to run simulations at a very large scale.
275
276 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
277 \section{Simulation of the multisplitting method}
278 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
279 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  
280 \begin{equation*}
281   \left(\begin{array}{ccc}
282       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
283       \vdots & \ddots & \vdots\\
284       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
285     \end{array} \right)
286   \times
287   \left(\begin{array}{c}
288       X_1 \\
289       \vdots\\
290       X_L
291     \end{array} \right)
292   =
293   \left(\begin{array}{c}
294       B_1 \\
295       \vdots\\
296       B_L
297     \end{array} \right)
298 \end{equation*}
299 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$
300 are assigned to one cluster, where for all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$ $A_{\ell
301   m}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_\ell\times n_m$, $X_\ell$ and
302 $B_\ell$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, of size $n_\ell$ each and
303 $\sum_{\ell} n_\ell=\sum_{m} n_m=n$.
304
305 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
306 \begin{equation}
307   \label{eq:4.1}
308   \left\{
309     \begin{array}{l}
310       A_{\ell\ell}X_\ell = Y_\ell \text{, such that}\\
311       Y_\ell = B_\ell - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}^{L}A_{\ell m}X_m
312     \end{array}
313   \right.
314 \end{equation}
315 is solved independently by a cluster and communications are required to update
316 the right-hand side sub-vector $Y_\ell$, such that the sub-vectors $X_m$
317 represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system
318 (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our
319 multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is
320 easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we
321 use the parallel algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most
322 used iterative method by many researchers.
323
324 \begin{figure}[!t]
325   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
326   %%% instead
327 \begin{algorithmic}[1]
328 \Input $A_\ell$ (sparse sub-matrix), $B_\ell$ (right-hand side sub-vector)
329 \Output $X_\ell$ (solution sub-vector)\medskip
330
331 \State Load $A_\ell$, $B_\ell$
332 \State Set the initial guess $x^0$
333 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
334 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
335 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
336 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_\ell^{k+1}$ to neighboring clusters
337 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq \ell}$
338 \EndFor
339
340 \Statex
341
342 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
343 \State Compute local right-hand side $Y_\ell$:
344        \begin{equation*}
345          Y_\ell = B_\ell - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq \ell}}A_{\ell m}X_m^0
346        \end{equation*}
347 \State Solving sub-system $A_{\ell\ell}X_\ell^k=Y_\ell$ with the parallel GMRES method
348 \State \Return $X_\ell^k$
349 \EndFunction
350 \end{algorithmic}
351 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
352 \label{algo:01}
353 \end{figure}
354
355 Algorithm on Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
356 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
357 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
358 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
359 cluster of processors. For all $\ell,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and
360 vectors with the subscript $\ell$ represent the local data for cluster $\ell$,
361 while $\{A_{\ell m}\}_{m\neq \ell}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix
362 $A$ and $\{X_m\}_{m\neq \ell}$ contain vector elements of solution $x$ shared
363 with neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous
364 communications are performed between processors of the local cluster and those
365 of distant clusters (lines~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in
366 Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are
367 exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
368
369 \begin{figure}[!t]
370 \centering
371   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
372 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
373 \label{fig:4.1}
374 \end{figure}
375
376 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
377 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
378 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
379 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
380 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
381 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
382 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
383 is achieved. So starting from the cluster with rank 1, each master processor $i$
384 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
385 \textit{False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the
386 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
387 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
388 cluster 1 broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work,
389 the local convergence on each cluster $\ell$ is detected when the following
390 condition is satisfied
391 \begin{equation*}
392   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_\ell^k - X_\ell^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
393 \end{equation*}
394 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
395 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
396 $X_\ell^k$ and $X_\ell^{k+1}$.
397
398 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
399 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
400 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 
401 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
402 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.
403 \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}
404 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.
405 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 
406 global variables have been moved to local variables for each subroutine. In fact, global variables generate side effects arising from the concurrent access of 
407 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
408 also to be reviewed.
409 \AG{À propos de ces problèmes d'alignement, en dire plus si ça a un intérêt, ou l'enlever.}
410  Finally, some compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed with the latest version of SimGrid.
411 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 
412 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. 
413
414
415
416 \section{Experimental results}
417
418 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
419 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
420 study that the results depend on the following parameters:  
421 \begin{itemize}
422 \item At the network level, we found that the most critical values are the
423   bandwidth (bw) and the network latency (lat).
424 \item Hosts power (GFlops) can also influence on the results.
425 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
426   passed to the program like the maximum number of iterations or the
427   \textit{external} precision are critical. They allow to ensure not only the
428   convergence of the algorithm but also to get the main objective of the
429   experimentation of the simulation in having an execution time in asynchronous
430   less than in synchronous mode. The ratio between the execution time of asynchronous compared to the synchronous mode is defined as the "relative gain". So, our objective running the algorithm in SimGrid is to obtain a relative gain greater than 1.
431 \end{itemize}
432
433 A priori, obtaining a relative gain greater than 1 would be difficult in a local area
434 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the
435 rapid exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology
436 adopted was to launch the application on clustered network. In this last
437 configuration, degrading the inter-cluster network performance will
438 \textit{penalize} the synchronous mode allowing to get a relative gain greater than 1.
439 This action simulates the case of distant clusters linked with long distance network
440 like Internet.
441
442 In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
443 \begin{equation}
444 \left\{
445 \begin{array}{l}
446 \nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
447 u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
448 \end{array}
449 \right.
450 \label{eq:02}
451 \end{equation}
452 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 
453 \begin{equation}
454 \begin{array}{ll}
455 u^{k+1}(x,y,z)= & u^k(x,y,z) - \frac{1}{6}\times\\
456                & (u^k(x-1,y,z) + u^k(x+1,y,z) + \\
457                & u^k(x,y-1,z) + u^k(x,y+1,z) + \\
458                & u^k(x,y,z-1) + u^k(x,y,z+1)),
459 \end{array}
460 \label{eq:03}
461 \end{equation} 
462 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. 
463
464 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. 
465
466 \begin{figure}[!t]
467 \centering
468   \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
469 \caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
470 \label{fig:4.2}
471 \end{figure}
472
473
474 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
475 containing 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above
476 factors have providing the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a
477 matrix size ranging from $N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 171 elements or from
478 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{171}^\text{3} =
479 \text{\np{5000211}}$ entries.
480 \AG{Expliquer comment lire les tableaux.}
481
482 % use the same column width for the following three tables
483 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
484 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
485   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
486   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
487                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
488     \end{tabular}}
489
490 \begin{table}[!t]
491   \centering
492   \caption{2 clusters, each with 50 nodes}
493   \label{tab.cluster.2x50}
494
495   \begin{mytable}{6}
496     \hline
497     bw
498     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         & 50 \\
499     \hline
500     lat
501     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\
502     \hline
503     power
504     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\
505     \hline
506     size
507     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       & 110 \\
508     \hline
509     Prec/Eprec
510     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\
511     \hline
512     Relative gain
513     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54     & 2.53 \\
514     \hline
515   \end{mytable}
516
517   \smallskip
518
519   \begin{mytable}{6}
520     \hline
521     bw
522     & 50        & 50        & 50        & 50        & 10        & 10 \\
523     \hline
524     lat
525     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.03      & 0.01 \\
526     \hline
527     power
528     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1         & 1.5 \\
529     \hline
530     size
531     & 120       & 130       & 140       & 150       & 171       & 171 \\
532     \hline
533     Prec/Eprec
534     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
535     \hline
536     Relative gain
537     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54     & 1.59      & 1.29 \\
538     \hline
539   \end{mytable}
540 \end{table}
541   
542 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
543 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
544 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
545 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
546 relative gains greater than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
547
548 \begin{table}[!t]
549   \centering
550   \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
551   \label{tab.cluster.3x33}
552
553   \begin{mytable}{6}
554     \hline
555     bw
556     & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
557     \hline
558     lat
559     & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
560     \hline
561     power
562     & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
563     \hline
564     size
565     & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
566     \hline
567     Prec/Eprec
568     & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
569     \hline
570     Relative gain
571     & 1.003    & 1.01     & 1.08     & 1.19     & 1.28     & 1.01 \\
572     \hline
573   \end{mytable}
574 \end{table}
575
576 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
577 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
578 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
579
580 \begin{table}[!t]
581   \centering
582   \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
583   \label{tab.cluster.3x67}
584
585   \begin{mytable}{1}
586     \hline
587     bw         & 1 \\
588     \hline
589     lat        & 0.02 \\
590     \hline
591     power      & 1 \\
592     \hline
593     size       & 62 \\
594     \hline
595     Prec/Eprec & \np{E-5} \\
596     \hline
597     Relative gain    & 1.11 \\
598     \hline
599   \end{mytable}
600 \end{table}
601
602 Note that the program was run with the following parameters:
603
604 \paragraph*{SMPI parameters}
605
606 ~\\{}\AG{Donner un peu plus de précisions (plateforme en particulier).}
607 \begin{itemize}
608         \item HOSTFILE: Hosts file description.
609         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
610 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
611 lat latency, \dots{}).
612 \end{itemize}
613
614
615 \paragraph*{Arguments of the program}
616
617 \begin{itemize}
618         \item Description of the cluster architecture;
619         \item Maximum number of internal and external iterations;
620         \item Internal and external precisions;
621         \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
622         \item Matrix diagonal value: \np{6.0};
623         \item Matrix off-diagonal value: \np{-1.0};
624         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
625 \end{itemize}
626
627 \paragraph*{Interpretations and comments}
628
629 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
630 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}
631 and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the used parameters affecting
632 the results have given a relative gain more than 2.5, showing the effectiveness of the
633 asynchronous performance compared to the synchronous mode.
634
635 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
636 that with a deterioration of inter cluster network set with \np[Mbit/s]{5} of
637 bandwidth, a latency in order of a hundredth of a millisecond and a system power
638 of one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is
639 obtained for a matrix size of 62 elements. It is noticed that the result remains
640 stable even if we vary the external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
641 increasing the matrix size up to 100 elements, it was necessary to increase the
642 CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a convergence of the algorithm
643 with the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining such a system
644 power but this time, increasing network throughput inter cluster up to
645 \np[Mbit/s]{50}, the result of efficiency with a relative gain of 1.5 is obtained with
646 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150 side
647 elements.
648
649 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
650 Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
651 which gives a relative gain of asynchronous mode more than 1.2. Indeed, for a
652 matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
653 (synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
654 \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
655 inter cluster network bandwidth from 5 to \np[Mbit/s]{2}.
656
657 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
658 with 200 nodes in total. The convergence with a relative gain around 1.1 was
659 obtained with a bandwidth of \np[Mbit/s]{1} as shown in
660 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
661
662 \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...}
663 \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 :-)}
664 \LZK{Ma question est: le bw et lat sont ceux inter-clusters ou pour les deux inter et intra cluster??}
665
666 \section{Conclusion}
667 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
668 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
669 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
670 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
671 reach the following three objectives: 
672
673 \begin{enumerate}
674 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
675 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
676 resources;
677 \item to ensure the algorithm convergence with a reasonable time and
678 iteration number ;
679 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
680 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
681 executing the algorithm in asynchronous mode.
682 \end{enumerate}
683 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
684 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
685 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
686 and more increasing size.
687
688  Several studies have already addressed the performance execution time of 
689 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
690 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
691 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
692 mode in a grid architecture. 
693
694 \LZK{Perspectives???}
695
696 \section*{Acknowledgment}
697
698 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
699 \todo[inline]{The authors would like to thank\dots{}}
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