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Private GIT Repository
11-04-2014
[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{\RC}[2][inline]{%
29   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{RC:} #2}\xspace}
30 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
31   \todo[color=blue!10,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
32
33 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
34 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
35
36 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
37 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
38
39 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
40
41
42 \begin{document}
43
44 \title{Simulation of Asynchronous Iterative Numerical Algorithms Using SimGrid}
45
46 \author{%
47   \IEEEauthorblockN{%
48     Charles Emile Ramamonjisoa and
49     David Laiymani and
50     Arnaud Giersch and
51     Lilia Ziane Khodja and
52     Raphaël Couturier
53   }
54   \IEEEauthorblockA{%
55     Femto-ST Institute - DISC Department\\
56     Université de Franche-Comté\\
57     Belfort\\
58     Email: \email{{raphael.couturier,arnaud.giersch,david.laiymani,charles.ramamonjisoa}@univ-fcomte.fr}
59   }
60 }
61
62 \maketitle
63
64 \RC{Ordre des autheurs pas définitif.\\ Adresse de Lilia: Inria Bordeaux Sud-Ouest, 200 Avenue de la Vieille Tour, 33405 Talence Cedex, France \\ Email: lilia.ziane@inria.fr}
65 \begin{abstract}
66 The abstract goes here.
67 \end{abstract}
68
69 \section{Introduction}
70
71 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming 
72 more and more imperative for solving various problems raised by 
73 researchers on various scientific disciplines but also by industrial in 
74 the field. Indeed, the increasing complexity of these requested 
75 applications combined with a continuous increase of their sizes lead to 
76 write distributed and parallel algorithms requiring significant hardware 
77 resources (grid computing, clusters, broadband network, etc\dots{}) but
78 also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a
79 class of highly efficient parallel algorithms called iterative executed 
80 in a distributed environment. As their name suggests, these algorithm 
81 solves a given problem that might be NP- complete complex by successive 
82 iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value $X_{0}$ to find
83 an approximate value $X^*$ of the solution with a very low
84 residual error. Several well-known methods demonstrate the convergence 
85 of these algorithms. Generally, to reduce the complexity and the 
86 execution time, the problem is divided into several \emph{pieces} that will
87 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will 
88 communicate each intermediate results before a new iteration starts 
89 until the approximate solution is reached. These distributed parallel 
90 computations can be performed either in \emph{synchronous} communication mode
91 where a new iteration begin only when all nodes communications are 
92 completed, either \emph{asynchronous} mode where processors can continue
93 independently without or few synchronization points. Despite the 
94 effectiveness of iterative approach, a major drawback of the method is 
95 the requirement of huge resources in terms of computing capacity, 
96 storage and high speed communication network. Indeed, limited physical 
97 resources are blocking factors for large-scale deployment of parallel 
98 algorithms. 
99
100 In recent years, the use of a simulation environment to execute parallel 
101 iterative algorithms found some interests in reducing the highly cost of 
102 access to computing resources: (1) for the applications development life 
103 cycle and in code debugging (2) and in production to get results in a 
104 reasonable execution time with a simulated infrastructure not accessible 
105 with physical resources. Indeed, the launch of distributed iterative 
106 asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale 
107 simulated environment challenges to find optimal configurations giving 
108 the best results with a lowest residual error and in the best of 
109 execution time. According our knowledge, no testing of large-scale 
110 simulation of the class of algorithm solving to achieve real results has 
111 been undertaken to date. We had in the scope of this work implemented a 
112 program for solving large non-symmetric linear system of equations by 
113 numerical method GMRES (Generalized Minimal Residual) in the simulation
114 environment SimGrid. The simulated platform had allowed us to launch
115 the application from a modest computing infrastructure by simulating 
116 different distributed architectures composed by clusters nodes 
117 interconnected by variable speed networks. In addition, it has been 
118 permitted to show the effectiveness of asynchronous mode algorithm by 
119 comparing its performance with the synchronous mode time. With selected 
120 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster 
121 network) and on the clusters architecture (number, capacity calculation 
122 power) in the simulated environment, the experimental results have
123 demonstrated not only the algorithm convergence within a reasonable time 
124 compared with the physical environment performance, but also a time 
125 saving of up to \np[\%]{40} in asynchronous mode.
126
127 This article is structured as follows: after this introduction, the next 
128 section will give a brief description of iterative asynchronous model. 
129 Then, the simulation framework SimGrid will be presented with the
130 settings to create various distributed architectures. The algorithm of 
131 the multi -splitting method used by GMRES written with MPI primitives 
132 and its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) will be in the
133 next section. At last, the experiments results carried out will be
134 presented before the conclusion which we will announce the opening of 
135 our future work after the results.
136  
137 \section{The asynchronous iteration model}
138
139 Décrire le modèle asynchrone. Je m'en charge (DL)
140
141 \section{SimGrid}
142
143 Décrire SimGrid~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} (Arnaud)
144
145
146
147
148
149
150
151 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
152 \section{Simulation of the multisplitting method}
153 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
154 Let $Ax=b$ be a large sparse system of $n$ linear equations in $\mathbb{R}$, where $A$ is a sparse square and nonsingular matrix, $x$ is the solution vector and $b$ is the right-hand side vector. We use a multisplitting method based on the block Jacobi splitting to solve this linear system on a large scale platform composed of $L$ clusters of processors. In this case, we apply a row-by-row splitting without overlapping  
155 \[
156 \left(\begin{array}{ccc}
157 A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
158 \vdots & \ddots & \vdots\\
159 A_{L1} & \cdots & A_{LL}
160 \end{array} \right)
161 \times 
162 \left(\begin{array}{c}
163 X_1 \\
164 \vdots\\
165 X_L
166 \end{array} \right)
167 =
168 \left(\begin{array}{c}
169 B_1 \\
170 \vdots\\
171 B_L
172 \end{array} \right)\] 
173 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$ are assigned to one cluster, where for all $l,m\in\{1,\ldots,L\}$ $A_{lm}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_l\times n_m$, $X_l$ and $B_l$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, each of size $n_l$ and $\sum_{l} n_l=\sum_{m} n_m=n$.
174
175 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
176 \begin{equation}
177 \left\{
178 \begin{array}{l}
179 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
180 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq l}}^{L}A_{lm}X_m
181 \end{array}
182 \right.
183 \label{eq:4.1}
184 \end{equation}
185 is solved independently by a cluster and communication are required to update the right-hand side sub-vector $Y_l$, such that the sub-vectors $X_m$ represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we use the parallel algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most used iterative method by many researchers. 
186
187 \begin{algorithm}
188 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
189 \begin{algorithmic}[1]
190 \Input $A_l$ (sparse sub-matrix), $B_l$ (right-hand side sub-vector)
191 \Output $X_l$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
192 \State Load $A_l$, $B_l$
193 \State Initialize the solution vector $x^0$
194 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
195 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
196 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
197 \State Send shared elements of $X_l^{k+1}$ to neighboring clusters
198 \State Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq l}$
199 \EndFor
200
201 \Statex
202
203 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
204 \State Compute local right-hand side $Y_l$: \[Y_l = B_l - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1 \\m\neq l}}A_{lm}X_m^0\]
205 \State Solving sub-system $A_{ll}X_l^k=Y_l$ with the parallel GMRES method
206 \State \Return $X_l^k$
207 \EndFunction
208 \end{algorithmic}
209 \label{algo:01}
210 \end{algorithm}
211
212 Algorithm~\ref{algo:01} shows the main key points of the multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each cluster of processors. For all $l,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and vectors with the subscript $l$ represent the local data for cluster $l$, while $\{A_{lm}\}_{m\neq l}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix $A$ and $\{X_m\}_{m\neq l}$ contain vector elements of solution $x$ shared with neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous communications are performed between processors of the local cluster and those of distant clusters (lines $6$ and $7$ in Algorithm~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines. 
213
214 \begin{figure}
215 \centering
216   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
217 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
218 \label{fig:4.1}
219 \end{figure}
220
221 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the global convergence detection process as follows. On each cluster a master processor is designated (for example the processor with rank $1$) and masters of all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around the virtual ring from a master processor to another until the global convergence is achieved. So starting from the cluster with rank $1$, each master processor $i$ sets the token to {\it True} if the local convergence is achieved or to {\it False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the global convergence is detected when the master of cluster $1$ receive from the master of cluster $L$ a token set to {\it True}. In this case, the master of cluster $1$ sends a stop message to masters of other clusters. In this work, the local convergence on each cluster $l$ is detected when the following condition is satisfied
222 \[(k\leq \MI) \mbox{~or~} (\|X_l^k - X_l^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)\]
223 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the tolerance threshold of the error computed between two successive local solution $X_l^k$ and $X_l^{k+1}$. 
224
225 \LZK{Description du processus d'adaptation de l'algo multisplitting à SimGrid}
226 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
227
228
229
230
231
232
233
234
235 \section{Experimental results}
236
237 When the ``real'' application runs in the simulation environment and produces
238 the expected results, varying the input parameters and the program arguments
239 allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
240 study that the results depend on the following parameters: (1) at the network
241 level, we found that the most critical values are the bandwidth (bw) and the
242 network latency (lat). (2) Hosts power (GFlops) can also influence on the
243 results. And finally, (3) when submitting job batches for execution, the
244 arguments values passed to the program like the maximum number of iterations or
245 the ``external'' precision are critical to ensure not only the convergence of the
246 algorithm but also to get the main objective of the experimentation of the
247 simulation in having an execution time in asynchronous less than in synchronous
248 mode, in others words, in having a ``speedup'' less than 1 (Speedup = Execution
249 time in synchronous mode / Execution time in asynchronous mode).
250
251 A priori, obtaining a speedup less than 1 would be difficult in a local area
252 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the rapid
253 exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology adopted
254 was to launch the application on clustered network. In this last configuration,
255 degrading the inter-cluster network performance will \emph{penalize} the synchronous
256 mode allowing to get a speedup lower than 1. This action simulates the case of
257 clusters linked with long distance network like Internet.
258
259 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
260 containing fifty hosts each, totaling one hundred hosts. Various combinations of
261 the above factors have providing the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a matrix size
262 ranging from Nx = Ny = Nz = 62 to 171 elements or from $62^{3} = \np{238328}$ to
263 $171^{3} = \np{5211000}$ entries.
264
265 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
266 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
267 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
268 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the speedups less than 1 with
269 a matrix size from 62 to 100 elements.
270
271 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
272 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
273
274 Note that the program was run with the following parameters:
275
276 \paragraph*{SMPI parameters}
277
278 \begin{itemize}
279         \item HOSTFILE: Hosts file description.
280         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
281 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
282 lat latency, \dots{}).
283 \end{itemize}
284
285
286 \paragraph*{Arguments of the program}
287
288 \begin{itemize}
289         \item Description of the cluster architecture;
290         \item Maximum number of internal and external iterations;
291         \item Internal and external precisions;
292         \item Matrix size NX, NY and NZ;
293         \item Matrix diagonal value = 6.0;
294         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
295 \end{itemize}
296
297 \begin{table}
298   \centering
299   \caption{2 clusters X 50 nodes}
300   \label{tab.cluster.2x50}
301   \AG{Les images manquent dans le dépôt Git. Si ce sont vraiment des tableaux, utiliser un format vectoriel (eps ou pdf), et surtout pas de jpeg!}
302   \includegraphics[width=209pt]{img1.jpg}
303 \end{table}
304
305 \begin{table}
306   \centering
307   \caption{3 clusters X 33 nodes}
308   \label{tab.cluster.3x33}
309   \AG{Le fichier manque.}
310   \includegraphics[width=209pt]{img2.jpg}
311 \end{table}
312
313 \begin{table}
314   \centering
315   \caption{3 clusters X 67 nodes}
316   \label{tab.cluster.3x67}
317   \AG{Le fichier manque.}
318 %  \includegraphics[width=160pt]{img3.jpg}
319   \includegraphics[scale=0.5]{img3.jpg}
320 \end{table}
321
322 \paragraph*{Interpretations and comments}
323
324 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
325 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50} and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the
326 used parameters affecting the results have given a speedup less than 1, showing
327 the effectiveness of the asynchronous performance compared to the synchronous
328 mode.
329
330 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows that with a
331 deterioration of inter cluster network set with \np[Mbits/s]{5} of bandwidth, a latency
332 in order of a hundredth of a millisecond and a system power of one GFlops, an
333 efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is obtained for a matrix size of 62
334 elements. It is noticed that the result remains stable even if we vary the
335 external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By increasing the problem size up to 100
336 elements, it was necessary to increase the CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a
337 convergence of the algorithm with the same order of asynchronous mode efficiency.
338 Maintaining such a system power but this time, increasing network throughput
339 inter cluster up to \np[Mbits/s]{50}, the result of efficiency of about \np[\%]{40} is
340 obtained with high external  precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150
341 side elements.
342
343 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts, Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows
344 that it was difficult to have a combination which gives an efficiency of
345 asynchronous below \np[\%]{80}. Indeed, for a matrix size of 62 elements, equality
346 between the performance of the two modes (synchronous and asynchronous) is
347 achieved with an inter cluster of \np[Mbits/s]{10} and a latency of \np{E-1} ms. To
348 challenge an efficiency by \np[\%]{78} with a matrix size of 100 points, it was
349 necessary to degrade the inter cluster network bandwidth from 5 to 2 Mbit/s.
350
351 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more power
352 with 200 nodes in total. The convergence with a speedup of \np[\%]{90} was obtained
353 with a bandwidth of \np[Mbits/s]{1} as shown in Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
354
355 \section{Conclusion}
356
357 \section*{Acknowledgment}
358
359
360 The authors would like to thank\dots{}
361
362
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364 % number - used to balance the columns on the last page
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366 % the document is modified later
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