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1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
3 \usepackage[T1]{fontenc}
4 \usepackage[utf8]{inputenc}
5 \usepackage{amsfonts,amssymb}
6 \usepackage{amsmath}
7 %\usepackage{algorithm}
8 \usepackage{algpseudocode}
9 %\usepackage{amsthm}
10 \usepackage{graphicx}
11 \usepackage[american]{babel}
12 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
13 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
14 %\usepackage{hyperref}
15
16 \usepackage{url}
17 \DeclareUrlCommand\email{\urlstyle{same}}
18
19 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
20 \AtBeginDocument{%
21   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
22   \npthousandthpartsep{}}
23
24 \usepackage{xspace}
25 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
26 \newcommand{\AG}[2][inline]{%
27   \todo[color=green!50,#1]{\sffamily\textbf{AG:} #2}\xspace}
28 \newcommand{\DL}[2][inline]{%
29   \todo[color=yellow!50,#1]{\sffamily\textbf{DL:} #2}\xspace}
30 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
31   \todo[color=blue!10,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
32 \newcommand{\RC}[2][inline]{%
33   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{RC:} #2}\xspace}
34
35 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
36 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
37
38 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
39 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
40
41 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
42
43 \usepackage{array}
44 \usepackage{color, colortbl}
45 \newcolumntype{M}[1]{>{\centering\arraybackslash}m{#1}}
46 \newcolumntype{Z}[1]{>{\raggedleft}m{#1}}
47
48 \begin{document}
49
50 \title{Simulation of Asynchronous Iterative Numerical Algorithms Using SimGrid}
51
52 \author{%
53   \IEEEauthorblockN{%
54     Charles Emile Ramamonjisoa\IEEEauthorrefmark{1},
55     David Laiymani\IEEEauthorrefmark{1},
56     Arnaud Giersch\IEEEauthorrefmark{1},
57     Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2} and
58     Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}
59   }
60   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}%
61     Femto-ST Institute -- DISC Department\\
62     Université de Franche-Comté,
63     IUT de Belfort-Montbéliard\\
64     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
65     Email: \email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}
66   }
67   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}%
68     Inria Bordeaux Sud-Ouest\\
69     200 avenue de la Vieille Tour, 33405 Talence cedex, France \\
70     Email: \email{lilia.ziane@inria.fr}
71   }
72 }
73
74 \maketitle
75
76 \RC{Ordre des autheurs pas définitif.}
77 \begin{abstract}
78 In recent years, the scalability of large-scale implementation in a 
79 distributed environment of algorithms becoming more and more complex has 
80 always been hampered by the limits of physical computing resources 
81 capacity. One solution is to run the program in a virtual environment 
82 simulating a real interconnected computers architecture. The results are 
83 convincing and useful solutions are obtained with far fewer resources 
84 than in a real platform. However, challenges remain for the convergence 
85 and efficiency of a class of algorithms that concern us here, namely 
86 numerical parallel iterative algorithms executed in asynchronous mode, 
87 especially in a large scale level. Actually, such algorithm requires a 
88 balance and a compromise between computation and communication time 
89 during the execution. Two important factors determine the success of the 
90 experimentation: the convergence of the iterative algorithm on a large 
91 scale and the execution time reduction in asynchronous mode. Once again, 
92 from the current work, a simulated environment like SimGrid provides
93 accurate results which are difficult or even impossible to obtain in a 
94 physical platform by exploiting the flexibility of the simulator on the 
95 computing units clusters and the network structure design. Our 
96 experimental outputs showed a saving of up to \np[\%]{40} for the algorithm
97 execution time in asynchronous mode compared to the synchronous one with 
98 a residual precision up to \np{E-11}. Such successful results open
99 perspectives on experimentations for running the algorithm on a 
100 simulated large scale growing environment and with larger problem size. 
101
102 % no keywords for IEEE conferences
103 % Keywords: Algorithm distributed iterative asynchronous simulation SimGrid
104 \end{abstract}
105
106 \section{Introduction}
107
108 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming  more and more imperative for solving various
109 problems raised by  researchers on various scientific disciplines but also by industrial in  the field. Indeed, the
110 increasing complexity of these requested  applications combined with a continuous increase of their sizes lead to  write
111 distributed and parallel algorithms requiring significant hardware  resources (grid computing, clusters, broadband
112 network, etc.) but also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a class of highly efficient
113 parallel algorithms called \texttt{numerical iterative algorithms} executed in a distributed environment. As their name
114 suggests, these algorithm solves a given problem by successive iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value
115 $X_{0}$ to find an approximate value $X^*$ of the solution with a very low residual error. Several well-known methods
116 demonstrate the convergence of these algorithms \cite{}. 
117
118 Parallelization of such algorithms generally involved the division of the problem into several \emph{pieces} that will
119 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will communicate each intermediate results before a new
120 iteration starts  until the approximate solution is reached. These parallel  computations can be performed
121 either in \emph{synchronous} communication mode where a new iteration begin only when all nodes communications are
122 completed, either \emph{asynchronous} mode where processors can continue independently without or few synchronization
123 points. 
124
125 % DL : reprendre correction ici 
126 Despite the effectiveness of iterative approach, a major drawback of the method is  the requirement of huge
127 resources in terms of computing capacity,  storage and high speed communication network. Indeed, limited physical
128 resources are blocking factors for large-scale deployment of parallel algorithms.
129
130 In recent years, the use of a simulation environment to execute parallel  iterative algorithms found some interests in
131 reducing the highly cost of  access to computing resources: (1) for the applications development life  cycle and in code
132 debugging (2) and in production to get results in a  reasonable execution time with a simulated infrastructure not
133 accessible  with physical resources. Indeed, the launch of distributed iterative  asynchronous algorithms to solve a
134 given problem on a large-scale  simulated environment challenges to find optimal configurations giving  the best results
135 with a lowest residual error and in the best of  execution time. According our knowledge, no testing of large-scale
136 simulation of the class of algorithm solving to achieve real results has  been undertaken to date. We had in the scope
137 of this work implemented a  program for solving large non-symmetric linear system of equations by  numerical method
138 GMRES (Generalized Minimal Residual) in the simulation environment SimGrid. The simulated platform had allowed us to
139 launch the application from a modest computing infrastructure by simulating  different distributed architectures
140 composed by clusters nodes  interconnected by variable speed networks. In addition, it has been  permitted to show the
141 effectiveness of asynchronous mode algorithm by  comparing its performance with the synchronous mode time. With selected
142 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster  network) and on the clusters architecture
143 (number, capacity calculation  power) in the simulated environment, the experimental results have demonstrated not only
144 the algorithm convergence within a reasonable time  compared with the physical environment performance, but also a time
145 saving of up to \np[\%]{40} in asynchronous mode.
146
147 This article is structured as follows: after this introduction, the next  section will give a brief description of
148 iterative asynchronous model.  Then, the simulation framework SimGrid will be presented with the settings to create
149 various distributed architectures. The algorithm of  the multi-splitting method used by GMRES written with MPI
150 primitives and its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) will be in the next section. At last, the experiments
151 results carried out will be presented before the conclusion which we will announce the opening of  our future work after
152 the results.
153  
154 \section{Motivations and scientific context}
155
156 As exposed in the introduction, parallel iterative methods are now widely used in many scientific domains. They can be
157 classified in three main classes depending on how iterations and communications are managed (for more details readers
158 can refer to \cite{bcvc02:ip}). In the \textit{Synchronous Iterations - Synchronous Communications (SISC)} model data
159 are exchanged at the end of each iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
160 important idle times on processors are generated. The \textit{Synchronous Iterations - Asynchronous Communications
161 (SIAC)} model can be compared to the previous one except that data required on another processor are sent asynchronously
162 i.e.  without stopping current computations. This technique allows to partially overlap communications by computations
163 but unfortunately, the overlapping is only partial and important idle times remain.  It is clear that, in a grid
164 computing context, where the number of computational nodes is large, heterogeneous and widely distributed, the idle
165 times generated by synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use the
166 \textit{Asynchronous Iterations - Asynchronous   Communications (AIAC)} model. Here, local computations do not need to
167 wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present at that time. Figure
168 \ref{fig:aiac} illustrates this model where the grey blocks represent the computation phases, the white spaces the idle
169 times and the arrows the communications. With this algorithmic model, the number of iterations required before the
170 convergence is generally greater than for the two former classes. But, and as detailed in \cite{bcvc06:ij}, AIAC
171 algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to synchronizations especially
172 in a grid computing context.
173
174 \begin{figure}[htbp]
175   \centering
176     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
177   \caption{The Asynchronous Iterations - Asynchronous Communications model } 
178   \label{fig:aiac}
179 \end{figure}
180
181
182 It is very challenging to develop efficient applications for large scale, heterogeneous and distributed platforms such
183 as computing grids. Researchers and engineers have to develop techniques for maximizing application performance of these
184 multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using novel algorithms that can account for the
185 composite and heterogeneous nature of the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
186 large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this context, it appears that the use of
187 simulation tools to explore various platform scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be
188 very promising. Several works...
189
190 In the context of AIAC algorithms, the use of simulation tools is even more relevant. Indeed, this class of applications
191 is very sensible to the execution environment context. For instance, variations in the network bandwith (intra and
192 inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number of clusters... can lead to very different number of
193 iterations and so to very different execution times.
194
195
196
197
198 \section{SimGrid}
199
200 SimGrid~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,SimGrid} is a simulation
201 framework to sudy the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
202 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
203 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.
204 %- open source, developped since 1999, one of the major solution in the field
205 %
206 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
207 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
208 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
209 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
210 languages.  The SMPI interface supports applications written in C or Fortran,
211 with little or no modifications.
212 %- implements most of MPI-2 \cite{ref} standard [CHECK]
213
214 %%% explain simulation
215 %- simulated processes folded in one real process
216 %- simulates interactions on the network, fluid model
217 %- able to skip long-lasting computations
218 %- traces + visu?
219
220 %%% platforms
221 %- describe resources and their interconnection, with their properties
222 %- XML files
223
224 %%% validation + refs
225
226 \AG{Décrire SimGrid~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,SimGrid} (Arnaud)}
227
228 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
229 \section{Simulation of the multisplitting method}
230 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
231 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  
232 \[
233 \left(\begin{array}{ccc}
234 A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
235 \vdots & \ddots & \vdots\\
236 A_{L1} & \cdots & A_{LL}
237 \end{array} \right)
238 \times 
239 \left(\begin{array}{c}
240 X_1 \\
241 \vdots\\
242 X_L
243 \end{array} \right)
244 =
245 \left(\begin{array}{c}
246 B_1 \\
247 \vdots\\
248 B_L
249 \end{array} \right)\] 
250 in such a way that successive rows of matrix $A$ and both vectors $x$ and $b$ are assigned to one cluster, where for all $l,m\in\{1,\ldots,L\}$ $A_{lm}$ is a rectangular block of $A$ of size $n_l\times n_m$, $X_l$ and $B_l$ are sub-vectors of $x$ and $b$, respectively, of size $n_l$ each and $\sum_{l} n_l=\sum_{m} n_m=n$.
251
252 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
253 \begin{equation}
254 \left\{
255 \begin{array}{l}
256 A_{ll}X_l = Y_l \mbox{,~such that}\\
257 Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq l}}^{L}A_{lm}X_m
258 \end{array}
259 \right.
260 \label{eq:4.1}
261 \end{equation}
262 is solved independently by a cluster and communications are required to update the right-hand side sub-vector $Y_l$, such that the sub-vectors $X_m$ represent the data dependencies between the clusters. As each sub-system (\ref{eq:4.1}) is solved in parallel by a cluster of processors, our multisplitting method uses an iterative method as an inner solver which is easier to parallelize and more scalable than a direct method. In this work, we use the parallel algorithm of GMRES method~\cite{ref1} which is one of the most used iterative method by many researchers. 
263
264 \begin{figure}
265   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
266   %%% instead
267 \begin{algorithmic}[1]
268 \Input $A_l$ (sparse sub-matrix), $B_l$ (right-hand side sub-vector)
269 \Output $X_l$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
270 \State Load $A_l$, $B_l$
271 \State Set the initial guess $x^0$
272 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
273 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
274 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
275 \State Send shared elements of $X_l^{k+1}$ to neighboring clusters
276 \State Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq l}$
277 \EndFor
278
279 \Statex
280
281 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
282 \State Compute local right-hand side $Y_l$: \[Y_l = B_l - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1 \\m\neq l}}A_{lm}X_m^0\]
283 \State Solving sub-system $A_{ll}X_l^k=Y_l$ with the parallel GMRES method
284 \State \Return $X_l^k$
285 \EndFunction
286 \end{algorithmic}
287 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
288 \label{algo:01}
289 \end{figure}
290
291 Algorithm on Figure~\ref{algo:01} shows the main key points of the
292 multisplitting method to solve a large sparse linear system. This algorithm is
293 based on an outer-inner iteration method where the parallel synchronous GMRES
294 method is used to solve the inner iteration. It is executed in parallel by each
295 cluster of processors. For all $l,m\in\{1,\ldots,L\}$, the matrices and vectors
296 with the subscript $l$ represent the local data for cluster $l$, while
297 $\{A_{lm}\}_{m\neq l}$ are off-diagonal matrices of sparse matrix $A$ and
298 $\{X_m\}_{m\neq l}$ contain vector elements of solution $x$ shared with
299 neighboring clusters. At every outer iteration $k$, asynchronous communications
300 are performed between processors of the local cluster and those of distant
301 clusters (lines $6$ and $7$ in Figure~\ref{algo:01}). The shared vector
302 elements of the solution $x$ are exchanged by message passing using MPI
303 non-blocking communication routines.
304
305 \begin{figure}
306 \centering
307   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
308 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
309 \label{fig:4.1}
310 \end{figure}
311
312 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 $1$ receives from the master of cluster $L$ a token set to {\it True}. In this case, the master of cluster $1$ broadcasts 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
313 \[(k\leq \MI) \mbox{~or~} (\|X_l^k - X_l^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)\]
314 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 $X_l^{k+1}$. 
315
316 \LZK{Description du processus d'adaptation de l'algo multisplitting à SimGrid}
317 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
318
319
320
321
322
323
324
325
326 \section{Experimental results}
327
328 When the \emph{real} application runs in the simulation environment and produces
329 the expected results, varying the input parameters and the program arguments
330 allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
331 study that the results depend on the following parameters: (1) at the network
332 level, we found that the most critical values are the bandwidth (bw) and the
333 network latency (lat). (2) Hosts power (GFlops) can also influence on the
334 results. And finally, (3) when submitting job batches for execution, the
335 arguments values passed to the program like the maximum number of iterations or
336 the \emph{external} precision are critical to ensure not only the convergence of the
337 algorithm but also to get the main objective of the experimentation of the
338 simulation in having an execution time in asynchronous less than in synchronous
339 mode, in others words, in having a \emph{speedup} less than 1
340 ({speedup}${}={}${execution time in synchronous mode}${}/{}${execution time in
341 asynchronous mode}).
342
343 A priori, obtaining a speedup less than 1 would be difficult in a local area
344 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the rapid
345 exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology adopted
346 was to launch the application on clustered network. In this last configuration,
347 degrading the inter-cluster network performance will \emph{penalize} the synchronous
348 mode allowing to get a speedup lower than 1. This action simulates the case of
349 clusters linked with long distance network like Internet.
350
351 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
352 containing fifty hosts each, totaling one hundred hosts. Various combinations of
353 the above factors have providing the results shown in Table I with a matrix size
354 ranging from $N_x = N_y = N_z = 62 \text{ to } 171$ elements or from $62^{3} = \np{238328}$ to
355 $171^{3} = \np{5211000}$ entries.
356
357 \begin{table}[h!]
358  \centering
359
360  \tiny
361  
362 \begin{tabular}{|Z{0.55cm}|Z{0.25cm}|Z{0.25cm}|M{0.25cm}|Z{0.25cm}|M{0.25cm}|M{0.25cm}|M{0.25cm}|M{0.25cm}|M{0.25cm}|M{0.25cm}|M{0.25cm}|M{0.25cm}|M{0.25cm}|} 
363  \hline 
364  \bf bw & 5 &5 & 5 & 5 & 5 & 50 & 50 & 50 & 50 & 50 & 10 & 10\\ 
365  \hline
366  \bf lat & 0.02 & 0.02 & 0.02 & 0.02 & 0.02 & 0.02 & 0.02 & 0.02 & 0.02 & 0.02 & 0.03 & 0.01\\ 
367  \hline 
368  \bf power & 1 & 1 & 1 & 1.5 & 1.5 & 1.5 & 1.5 & 1.5 & 1.5 & 1.5 & 1 & 1.5\\ \hline    \bf size & 62 & 62 & 62 & 100 & 100 & 110 & 120& 130 & 140 & 150 & 171 & 171\\ \hline
369  \bf Prec/Eprec & 10$^{-5}$ & 10$^{-8}$ & 10$^{-9}$ & 10$^{-11}$ & 10$^{-11}$ & 10$^{-11}$ & 10$^{-11}$ & 10$^{-11}$ & 10$^{-11}$ & 10$^{-11}$ & 10$^{-5}$ & 10$^{-5}$\\ \hline 
370  \bf speedup & 0.396 & 0.392 & 0.396 & 0.391 & 0.393 & 0.395 & 0.398 & 0.388 & 0.393 & 0.394 & 0.63 & 0.778\\ \hline 
371  \end{tabular}
372  \smallskip 
373  \caption{2 Clusters x 50 nodes each} \label{tab1} 
374 \end{table} 
375   
376 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
377 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
378 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
379 permitted to get the results in Table II which shows the speedups less than 1 with
380 a matrix size from 62 to 100 elements.
381
382 \begin{table}[h!]
383  \centering
384
385  \tiny
386  
387 \begin{tabular}{|Z{0.55cm}|Z{0.25cm}|Z{0.25cm}|M{0.25cm}|Z{0.25cm}|M{0.25cm}|M{0.25cm}|} 
388  \hline 
389  \bf bw & 10 &5 & 4 & 3 & 2 & 6\\ \hline
390  \bf lat & 0.01 & 0.02 & 0.02 & 0.02 & 0.02 & 0.02\\ 
391  \hline 
392  \bf power & 1 & 1 & 1 & 1 & 1 & 1\\ \hline    
393  \bf size & 62 & 100 & 100 & 100 & 100 & 171\\ \hline
394  \bf Prec/Eprec & 10$^{-5}$ & 10$^{-5}$ & 10$^{-5}$ & 10$^{-5}$ & 10$^{-5}$ & 10$^{-5}$\\ \hline 
395  \bf speedup & 0.997 & 0.99 & 0.93 & 0.84 & 0.78 & 0.99\\ 
396  \hline 
397  \end{tabular}
398  \smallskip 
399  \caption{3 Clusters x 33 nodes each} \label{tab2} 
400 \end{table} 
401
402
403 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
404 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in Table III.
405
406 \begin{table}[h!]
407  \centering
408  \tiny
409 \begin{tabular}{|M{0.55cm}|M{0.25cm}|} 
410  \hline 
411  \bf bw & 1\\ \hline
412  \bf lat & 0.02\\ 
413  \hline 
414  \bf power & 1\\ 
415  \hline    
416  \bf size & 62\\ 
417  \hline
418  \bf Prec/Eprec & 10$^{-5}$\\ 
419  \hline 
420  \bf speedup & 0.9\\ 
421  \hline 
422  \end{tabular}
423  \smallskip 
424  \caption{3 Clusters x 66 nodes each} \label{tab3} 
425 \end{table} 
426
427 Note that the program was run with the following parameters:
428
429 \paragraph*{SMPI parameters}
430
431 \begin{itemize}
432         \item HOSTFILE: Hosts file description.
433         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
434 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
435 lat latency, \dots{}).
436 \end{itemize}
437
438
439 \paragraph*{Arguments of the program}
440
441 \begin{itemize}
442         \item Description of the cluster architecture;
443         \item Maximum number of internal and external iterations;
444         \item Internal and external precisions;
445         \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
446         \item Matrix diagonal value: \np{6.0};
447         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
448 \end{itemize}
449
450
451 \paragraph*{Interpretations and comments}
452
453 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
454 clusters including one hundred hosts (Table I and II), some combinations of the
455 used parameters affecting the results have given a speedup less than 1, showing
456 the effectiveness of the asynchronous performance compared to the synchronous
457 mode.
458
459 In the case of a two clusters configuration, Table I shows that with a
460 deterioration of inter cluster network set with \np[Mbits/s]{5} of bandwidth, a latency
461 in order of a hundredth of a millisecond and a system power of one GFlops, an
462 efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is obtained for a matrix size of 62
463 elements. It is noticed that the result remains stable even if we vary the
464 external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By increasing the problem size up to 100
465 elements, it was necessary to increase the CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a
466 convergence of the algorithm with the same order of asynchronous mode efficiency.
467 Maintaining such a system power but this time, increasing network throughput
468 inter cluster up to \np[Mbits/s]{50}, the result of efficiency of about \np[\%]{40} is
469 obtained with high external  precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150
470 side elements.
471
472 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts, Table II shows
473 that it was difficult to have a combination which gives an efficiency of
474 asynchronous below \np[\%]{80}. Indeed, for a matrix size of 62 elements, equality
475 between the performance of the two modes (synchronous and asynchronous) is
476 achieved with an inter cluster of \np[Mbits/s]{10} and a latency of \np[ms]{E-1}. To
477 challenge an efficiency by \np[\%]{78} with a matrix size of 100 points, it was
478 necessary to degrade the inter cluster network bandwidth from 5 to 2 Mbit/s.
479
480 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
481 with 200 nodes in total. The convergence with a speedup of \np[\%]{90} was obtained
482 with a bandwidth of \np[Mbits/s]{1} as shown in Table III.
483
484 \section{Conclusion}
485 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
486 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
487 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
488 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
489 reach the following three objectives: 
490
491 \newcounter{numberedCntD}
492 \begin{enumerate}
493 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
494 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
495 resources;
496 \item to ensure the algorithm convergence with a raisonnable time and 
497 iteration number ;
498 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
499 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
500 executing the algorithm in asynchronous mode.
501 \setcounter{numberedCntD}{\theenumi}
502 \end{enumerate}
503 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
504 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
505 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
506 and more increasing size.
507
508  Several studies have already addressed the performance execution time of 
509 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
510 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
511 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
512 mode in a grid architecture. 
513
514 \section*{Acknowledgment}
515
516
517 The authors would like to thank\dots{}
518
519
520 % trigger a \newpage just before the given reference
521 % number - used to balance the columns on the last page
522 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
523 % the document is modified later
524 \bibliographystyle{IEEEtran}
525 \bibliography{IEEEabrv,hpccBib}
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527 \end{document}
528
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