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

Private GIT Repository
Remove stale backup file.
[hpcc2014.git] / hpcc.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
3 \usepackage[T1]{fontenc}
4 \usepackage[utf8]{inputenc}
5 \usepackage{amsfonts,amssymb}
6 \usepackage{amsmath}
7 %\usepackage{algorithm}
8 \usepackage{algpseudocode}
9 %\usepackage{amsthm}
10 \usepackage{graphicx}
11 \usepackage[american]{babel}
12 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
13 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
14 %\usepackage{hyperref}
15
16 \usepackage{url}
17 \DeclareUrlCommand\email{\urlstyle{same}}
18
19 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
20 \AtBeginDocument{%
21   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
22   \npthousandthpartsep{}}
23
24 \usepackage{xspace}
25 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
26 \newcommand{\AG}[2][inline]{%
27   \todo[color=green!50,#1]{\sffamily\textbf{AG:} #2}\xspace}
28 \newcommand{\DL}[2][inline]{%
29   \todo[color=yellow!50,#1]{\sffamily\textbf{DL:} #2}\xspace}
30 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
31   \todo[color=blue!10,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
32 \newcommand{\RC}[2][inline]{%
33   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{RC:} #2}\xspace}
34 \newcommand{\CER}[2][inline]{%
35   \todo[color=pink!10,#1]{\sffamily\textbf{CER:} #2}\xspace}
36
37 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
38 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
39
40 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
41 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
42
43 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
44
45 \begin{document}
46
47 \title{Simulation of Asynchronous Iterative Numerical Algorithms Using SimGrid}
48
49 \author{%
50   \IEEEauthorblockN{%
51     Charles Emile Ramamonjisoa\IEEEauthorrefmark{1},
52     David Laiymani\IEEEauthorrefmark{1},
53     Arnaud Giersch\IEEEauthorrefmark{1},
54     Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2} and
55     Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}
56   }
57   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}%
58     Femto-ST Institute -- DISC Department\\
59     Université de Franche-Comté,
60     IUT de Belfort-Montbéliard\\
61     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
62     Email: \email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}
63   }
64   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}%
65     Inria Bordeaux Sud-Ouest\\
66     200 avenue de la Vieille Tour, 33405 Talence cedex, France \\
67     Email: \email{lilia.ziane@inria.fr}
68   }
69 }
70
71 \maketitle
72
73 \RC{Ordre des auteurs pas définitif.}
74 \begin{abstract}
75 In recent years, the scalability of large-scale implementation in a 
76 distributed environment of algorithms becoming more and more complex has 
77 always been hampered by the limits of physical computing resources 
78 capacity. One solution is to run the program in a virtual environment 
79 simulating a real interconnected computers architecture. The results are 
80 convincing and useful solutions are obtained with far fewer resources 
81 than in a real platform. However, challenges remain for the convergence 
82 and efficiency of a class of algorithms that concern us here, namely 
83 numerical parallel iterative algorithms executed in asynchronous mode, 
84 especially in a large scale level. Actually, such algorithm requires a 
85 balance and a compromise between computation and communication time 
86 during the execution. Two important factors determine the success of the 
87 experimentation: the convergence of the iterative algorithm on a large 
88 scale and the execution time reduction in asynchronous mode. Once again, 
89 from the current work, a simulated environment like SimGrid provides
90 accurate results which are difficult or even impossible to obtain in a 
91 physical platform by exploiting the flexibility of the simulator on the 
92 computing units clusters and the network structure design. Our 
93 experimental outputs showed a saving of up to \np[\%]{40} for the algorithm
94 execution time in asynchronous mode compared to the synchronous one with 
95 a residual precision up to \np{E-11}. Such successful results open
96 perspectives on experimentations for running the algorithm on a 
97 simulated large scale growing environment and with larger problem size. 
98
99 % no keywords for IEEE conferences
100 % Keywords: Algorithm distributed iterative asynchronous simulation SimGrid
101 \end{abstract}
102
103 \section{Introduction}
104
105 Parallel computing and high performance computing (HPC) are becoming  more and more imperative for solving various
106 problems raised by  researchers on various scientific disciplines but also by industrial in  the field. Indeed, the
107 increasing complexity of these requested  applications combined with a continuous increase of their sizes lead to  write
108 distributed and parallel algorithms requiring significant hardware  resources (grid computing, clusters, broadband
109 network, etc.) but also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a class of highly efficient
110 parallel algorithms called \emph{numerical iterative algorithms} executed in a distributed environment. As their name
111 suggests, these algorithms solve a given problem by successive iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value
112 $X_{0}$ to find an approximate value $X^*$ of the solution with a very low residual error. Several well-known methods
113 demonstrate the convergence of these algorithms~\cite{BT89,Bahi07}.
114
115 Parallelization of such algorithms generally involve the division of the problem into several \emph{blocks} that will
116 be solved in parallel on multiple processing units. The latter will communicate each intermediate results before a new
117 iteration starts and until the approximate solution is reached. These parallel  computations can be performed either in
118 \emph{synchronous} mode where a new iteration begins only when all nodes communications are completed,
119 or in \emph{asynchronous} mode where processors can continue independently with few or no synchronization points. For
120 instance in the \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model~\cite{bcvc06:ij}, local
121 computations do not need to wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present
122 at that time. Even if the number of iterations required before the convergence is generally greater than for the
123 synchronous case, AIAC algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to
124 synchronizations especially in a grid computing context (see~\cite{Bahi07} for more details).
125
126 Parallel numerical applications (synchronous or asynchronous) may have different
127 configuration and deployment requirements.  Quantifying their resource
128 allocation policies and application scheduling algorithms in grid computing
129 environments under varying load, CPU power and network speeds is very costly,
130 very labor intensive and very time
131 consuming~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.  The case of AIAC
132 algorithms is even more problematic since they are very sensible to the
133 execution environment context. For instance, variations in the network bandwidth
134 (intra and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number
135 of clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to
136 very different execution times. Then, it appears that the use of simulation
137 tools to explore various platform scenarios and to run large numbers of
138 experiments quickly can be very promising. In this way, the use of a simulation
139 environment to execute parallel iterative algorithms found some interests in
140 reducing the highly cost of access to computing resources: (1) for the
141 applications development life cycle and in code debugging (2) and in production
142 to get results in a reasonable execution time with a simulated infrastructure
143 not accessible with physical resources. Indeed, the launch of distributed
144 iterative asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale
145 simulated environment challenges to find optimal configurations giving the best
146 results with a lowest residual error and in the best of execution time.
147
148 To our knowledge, there is no existing work on the large-scale simulation of a
149 real AIAC application. The aim of this paper is twofold. First we give a first
150 approach of the simulation of AIAC algorithms using a simulation tool (i.e. the
151 SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}). Second, we confirm the effectiveness of
152 asynchronous mode algorithms by comparing their performance with the synchronous
153 mode. More precisely, we had implemented a program for solving large
154 linear system of equations by numerical method GMRES (Generalized
155 Minimal Residual) \cite{ref1}. We show, that with minor modifications of the
156 initial MPI code, the SimGrid toolkit allows us to perform a test campaign of a
157 real AIAC application on different computing architectures. The simulated
158 results we obtained are in line with real results exposed in ??\AG[]{??}.
159 SimGrid had allowed us to launch the application from a modest computing
160 infrastructure by simulating different distributed architectures composed by
161 clusters nodes interconnected by variable speed networks.  With selected
162 parameters on the network platforms (bandwidth, latency of inter cluster
163 network) and on the clusters architecture (number, capacity calculation power)
164 in the simulated environment, the experimental results have demonstrated not
165 only the algorithm convergence within a reasonable time compared with the
166 physical environment performance, but also a time saving of up to \np[\%]{40} in
167 asynchronous mode.
168
169 This article is structured as follows: after this introduction, the next  section will give a brief description of
170 iterative asynchronous model.  Then, the simulation framework SimGrid is presented with the settings to create various
171 distributed architectures. The algorithm of  the multisplitting method used by GMRES written with MPI primitives and
172 its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) is detailed in the next section. At last, the experiments results
173 carried out will be presented before some concluding remarks and future works.
174  
175 \section{Motivations and scientific context}
176
177 As exposed in the introduction, parallel iterative methods are now widely used in many scientific domains. They can be
178 classified in three main classes depending on how iterations and communications are managed (for more details readers
179 can refer to~\cite{bcvc06:ij}). In the \textit{Synchronous Iterations~-- Synchronous Communications (SISC)} model data
180 are exchanged at the end of each iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
181 important idle times on processors are generated. The \textit{Synchronous Iterations~-- Asynchronous Communications
182 (SIAC)} model can be compared to the previous one except that data required on another processor are sent asynchronously
183 i.e.  without stopping current computations. This technique allows to partially overlap communications by computations
184 but unfortunately, the overlapping is only partial and important idle times remain.  It is clear that, in a grid
185 computing context, where the number of computational nodes is large, heterogeneous and widely distributed, the idle
186 times generated by synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use the
187 \textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model. Here, local computations do not need to
188 wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present at that time. Figure~\ref{fig:aiac}
189 illustrates this model where the gray blocks represent the computation phases, the white spaces the idle
190 times and the arrows the communications. With this algorithmic model, the number of iterations required before the
191 convergence is generally greater than for the two former classes. But, and as detailed in~\cite{bcvc06:ij}, AIAC
192 algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to synchronizations especially
193 in a grid computing context.
194
195 \begin{figure}[!t]
196   \centering
197     \includegraphics[width=8cm]{AIAC.pdf}
198   \caption{The Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications model}
199   \label{fig:aiac}
200 \end{figure}
201
202
203 It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
204 heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
205 engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
206 these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
207 novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
208 the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
209 large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
210 context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
211 scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
212 promising. Several works\dots{}
213
214 \AG{Several works\dots{} what?\\
215   Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
216 In the context of AIAC algorithms, the use of simulation tools is even more
217 relevant. Indeed, this class of applications is very sensible to the execution
218 environment context. For instance, variations in the network bandwidth (intra
219 and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number of
220 clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to very
221 different execution times.
222
223
224
225
226 \section{SimGrid}
227
228 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid} is a simulation
229 framework to study the behavior of large-scale distributed systems.  As its name
230 says, it emanates from the grid computing community, but is nowadays used to
231 study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The early versions of SimGrid
232 date from 1999, but it's still actively developed and distributed as an open
233 source software.  Today, it's one of the major generic tools in the field of
234 simulation for large-scale distributed systems.
235
236 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
237 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
238 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
239 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
240 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work exposed in
241 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
242 standard~\cite{bedaride:hal-00919507}, and supports applications written in C or
243 Fortran, with little or no modifications.
244
245 With SimGrid, the execution of a distributed application is simulated on a
246 single machine.  The application code is really executed, but some operations
247 like the communications are intercepted to be simulated according to the
248 characteristics of the simulated execution platform.  The description of this
249 target platform is given as an input for the execution, by the mean of an XML
250 file.  It describes the properties of the platform, such as the computing node
251 with their computing power, the interconnection links with their bandwidth and
252 latency, and the routing strategy.  The simulated running time of the
253 application is computed according to these properties.
254
255 \AG{Faut-il ajouter quelque-chose ?} 
256 \CER{Comme tu as décrit la plateforme d'exécution, on peut ajouter éventuellement le fichier XML contenant des hosts dans les clusters formant la grille} 
257
258 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
259 \section{Simulation of the multisplitting method}
260 %Décrire le problème (algo) traité ainsi que le processus d'adaptation à SimGrid.
261 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  
262 \begin{equation*}
263   \left(\begin{array}{ccc}
264       A_{11} & \cdots & A_{1L} \\
265       \vdots & \ddots & \vdots\\
266       A_{L1} & \cdots & A_{LL}
267     \end{array} \right)
268   \times
269   \left(\begin{array}{c}
270       X_1 \\
271       \vdots\\
272       X_L
273     \end{array} \right)
274   =
275   \left(\begin{array}{c}
276       B_1 \\
277       \vdots\\
278       B_L
279     \end{array} \right)
280 \end{equation*}
281 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 $\sum_{l} n_l=\sum_{m} n_m=n$.
282
283 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
284 \begin{equation}
285   \label{eq:4.1}
286   \left\{
287     \begin{array}{l}
288       A_{ll}X_l = Y_l \text{, such that}\\
289       Y_l = B_l - \displaystyle\sum_{\substack{m=1\\ m\neq l}}^{L}A_{lm}X_m
290     \end{array}
291   \right.
292 \end{equation}
293 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. 
294
295 \begin{figure}[!t]
296   %%% IEEE instructions forbid to use an algorithm environment here, use figure
297   %%% instead
298 \begin{algorithmic}[1]
299 \Input $A_l$ (sparse sub-matrix), $B_l$ (right-hand side sub-vector)
300 \Output $X_l$ (solution sub-vector)\vspace{0.2cm}
301 \State Load $A_l$, $B_l$
302 \State Set the initial guess $x^0$
303 \For {$k=0,1,2,\ldots$ until the global convergence}
304 \State Restart outer iteration with $x^0=x^k$
305 \State Inner iteration: \Call{InnerSolver}{$x^0$, $k+1$}
306 \State\label{algo:01:send} Send shared elements of $X_l^{k+1}$ to neighboring clusters
307 \State\label{algo:01:recv} Receive shared elements in $\{X_m^{k+1}\}_{m\neq l}$
308 \EndFor
309
310 \Statex
311
312 \Function {InnerSolver}{$x^0$, $k$}
313 \State Compute local right-hand side $Y_l$:
314        \begin{equation*}
315          Y_l = B_l - \sum\nolimits^L_{\substack{m=1\\ m\neq l}}A_{lm}X_m^0
316        \end{equation*}
317 \State Solving sub-system $A_{ll}X_l^k=Y_l$ with the parallel GMRES method
318 \State \Return $X_l^k$
319 \EndFunction
320 \end{algorithmic}
321 \caption{A multisplitting solver with GMRES method}
322 \label{algo:01}
323 \end{figure}
324
325 Algorithm on Figure~\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~\ref{algo:01:send} and~\ref{algo:01:recv} in Figure~\ref{algo:01}). The shared vector elements of the solution $x$ are exchanged by message passing using MPI non-blocking communication routines.
326
327 \begin{figure}[!t]
328 \centering
329   \includegraphics[width=60mm,keepaspectratio]{clustering}
330 \caption{Example of three clusters of processors interconnected by a virtual unidirectional ring network.}
331 \label{fig:4.1}
332 \end{figure}
333
334 The global convergence of the asynchronous multisplitting solver is detected
335 when the clusters of processors have all converged locally. We implemented the
336 global convergence detection process as follows. On each cluster a master
337 processor is designated (for example the processor with rank 1) and masters of
338 all clusters are interconnected by a virtual unidirectional ring network (see
339 Figure~\ref{fig:4.1}). During the resolution, a Boolean token circulates around
340 the virtual ring from a master processor to another until the global convergence
341 is achieved. So starting from the cluster with rank 1, each master processor $i$
342 sets the token to \textit{True} if the local convergence is achieved or to
343 \textit{False} otherwise, and sends it to master processor $i+1$. Finally, the
344 global convergence is detected when the master of cluster 1 receives from the
345 master of cluster $L$ a token set to \textit{True}. In this case, the master of
346 cluster 1 broadcasts a stop message to masters of other clusters. In this work,
347 the local convergence on each cluster $l$ is detected when the following
348 condition is satisfied
349 \begin{equation*}
350   (k\leq \MI) \text{ or } (\|X_l^k - X_l^{k+1}\|_{\infty}\leq\epsilon)
351 \end{equation*}
352 where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
353 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
354 $X_l^k$ and $X_l^{k+1}$.
355
356 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
357 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
358 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 
359 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
360 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.
361 \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}
362 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.
363 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 
364 global variables have been moved to local variables for each subroutine. In fact, global variables generate side effects arising from the concurrent access of 
365 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
366 also to be reviewed. Finally, some compilation errors on MPI\_Waitall and MPI\_Finalize primitives have been fixed with the latest version of SimGrid.
367 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 
368 environment. We have tested in synchronous mode with a simulated platform starting from a modest 2 or 3 clusters grid to a larger configuration like simulating 
369 Grid5000 with more than 1500 hosts with 5000 cores~\cite{bolze2006grid}.
370
371
372
373 \section{Experimental results}
374
375 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
376 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
377 study that the results depend on the following parameters:  
378 \begin{itemize}
379 \item At the network level, we found that the most critical values are the
380   bandwidth (bw) and the network latency (lat).
381 \item Hosts power (GFlops) can also influence on the results.
382 \item Finally, when submitting job batches for execution, the arguments values
383   passed to the program like the maximum number of iterations or the
384   \textit{external} precision are critical. They allow to ensure not only the
385   convergence of the algorithm but also to get the main objective of the
386   experimentation of the simulation in having an execution time in asynchronous
387   less than in synchronous mode (i.e. speed-up less than 1).
388 \end{itemize}
389 \LZK{Propositions pour remplacer le terme ``speedup'': acceleration ratio ou relative gain}
390
391 A priori, obtaining a speedup less than 1 would be difficult in a local area
392 network configuration where the synchronous mode will take advantage on the
393 rapid exchange of information on such high-speed links. Thus, the methodology
394 adopted was to launch the application on clustered network. In this last
395 configuration, degrading the inter-cluster network performance will
396 \textit{penalize} the synchronous mode allowing to get a speedup lower than 1.
397 This action simulates the case of clusters linked with long distance network
398 like Internet.
399
400 In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
401 \begin{equation}
402 \left\{
403 \begin{array}{l}
404 \nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
405 u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
406 \end{array}
407 \right.
408 \label{eq:02}
409 \end{equation}
410 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 
411 \begin{equation}
412 \begin{array}{ll}
413 u^{k+1}(x,y,z)= & u^k(x,y,z) - \frac{1}{6}\times\\
414                & (u^k(x-1,y,z) + u^k(x+1,y,z) + \\
415                & u^k(x,y-1,z) + u^k(x,y+1,z) + \\
416                & u^k(x,y,z-1) + u^k(x,y,z+1)),
417 \end{array}
418 \label{eq:03}
419 \end{equation} 
420 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. 
421
422 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. 
423
424 \begin{figure}[!t]
425 \centering
426   \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
427 \caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
428 \label{fig:4.2}
429 \end{figure}
430
431
432 As a first step, the algorithm was run on a network consisting of two clusters
433 containing 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above
434 factors have providing the results shown in Table~\ref{tab.cluster.2x50} with a
435 matrix size ranging from $N_x = N_y = N_z = \text{62}$ to 171 elements or from
436 $\text{62}^\text{3} = \text{\np{238328}}$ to $\text{171}^\text{3} =
437 \text{\np{5211000}}$ entries.
438
439 % use the same column width for the following three tables
440 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
441 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
442   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
443   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
444                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
445     \end{tabular}}
446
447 \begin{table}[!t]
448   \centering
449   \caption{2 clusters, each with 50 nodes}
450   \label{tab.cluster.2x50}
451
452   \begin{mytable}{6}
453     \hline
454     bw
455     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         & 50 \\
456     \hline
457     lat
458     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\
459     \hline
460     power
461     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\
462     \hline
463     size
464     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       & 110 \\
465     \hline
466     Prec/Eprec
467     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\
468     \hline
469     speedup
470     & 0.396     & 0.392     & 0.396     & 0.391     & 0.393     & 0.395 \\
471     \hline
472   \end{mytable}
473
474   \smallskip
475
476   \begin{mytable}{6}
477     \hline
478     bw
479     & 50        & 50        & 50        & 50        & 10        & 10 \\
480     \hline
481     lat
482     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.03      & 0.01 \\
483     \hline
484     power
485     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1         & 1.5 \\
486     \hline
487     size
488     & 120       & 130       & 140       & 150       & 171       & 171 \\
489     \hline
490     Prec/Eprec
491     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
492     \hline
493     speedup
494     & 0.398     & 0.388     & 0.393     & 0.394     & 0.63      & 0.778 \\
495     \hline
496   \end{mytable}
497 \end{table}
498   
499 Then we have changed the network configuration using three clusters containing
500 respectively 33, 33 and 34 hosts, or again by on hundred hosts for all the
501 clusters. In the same way as above, a judicious choice of key parameters has
502 permitted to get the results in Table~\ref{tab.cluster.3x33} which shows the
503 speedups less than 1 with a matrix size from 62 to 100 elements.
504
505 \begin{table}[!t]
506   \centering
507   \caption{3 clusters, each with 33 nodes}
508   \label{tab.cluster.3x33}
509
510   \begin{mytable}{6}
511     \hline
512     bw
513     & 10       & 5        & 4        & 3        & 2        & 6 \\
514     \hline
515     lat
516     & 0.01     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02     & 0.02 \\
517     \hline
518     power
519     & 1        & 1        & 1        & 1        & 1        & 1 \\
520     \hline
521     size
522     & 62       & 100      & 100      & 100      & 100      & 171 \\
523     \hline
524     Prec/Eprec
525     & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} & \np{E-5} \\
526     \hline
527     speedup
528     & 0.997    & 0.99     & 0.93     & 0.84     & 0.78     & 0.99 \\
529     \hline
530   \end{mytable}
531 \end{table}
532
533 In a final step, results of an execution attempt to scale up the three clustered
534 configuration but increasing by two hundreds hosts has been recorded in
535 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
536
537 \begin{table}[!t]
538   \centering
539   \caption{3 clusters, each with 66 nodes}
540   \label{tab.cluster.3x67}
541
542   \begin{mytable}{1}
543     \hline
544     bw         & 1 \\
545     \hline
546     lat        & 0.02 \\
547     \hline
548     power      & 1 \\
549     \hline
550     size       & 62 \\
551     \hline
552     Prec/Eprec & \np{E-5} \\
553     \hline
554     speedup    & 0.9 \\
555     \hline
556   \end{mytable}
557 \end{table}
558
559 Note that the program was run with the following parameters:
560
561 \paragraph*{SMPI parameters}
562
563 \begin{itemize}
564         \item HOSTFILE: Hosts file description.
565         \item PLATFORM: file description of the platform architecture : clusters (CPU power,
566 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
567 lat latency, \dots{}).
568 \end{itemize}
569
570
571 \paragraph*{Arguments of the program}
572
573 \begin{itemize}
574         \item Description of the cluster architecture;
575         \item Maximum number of internal and external iterations;
576         \item Internal and external precisions;
577         \item Matrix size $N_x$, $N_y$ and $N_z$;
578 %<<<<<<< HEAD
579         \item Matrix diagonal value: \np{6.0};
580         \item Matrix Off-diagonal value: \np{-1.0};
581 %=======
582 %>>>>>>> 5fb6769d88c1720b6480a28521119ef010462fa6
583         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
584 \end{itemize}
585
586 \paragraph*{Interpretations and comments}
587
588 After analyzing the outputs, generally, for the configuration with two or three
589 clusters including one hundred hosts (Tables~\ref{tab.cluster.2x50}
590 and~\ref{tab.cluster.3x33}), some combinations of the used parameters affecting
591 the results have given a speedup less than 1, showing the effectiveness of the
592 asynchronous performance compared to the synchronous mode.
593
594 In the case of a two clusters configuration, Table~\ref{tab.cluster.2x50} shows
595 that with a deterioration of inter cluster network set with \np[Mbit/s]{5} of
596 bandwidth, a latency in order of a hundredth of a millisecond and a system power
597 of one GFlops, an efficiency of about \np[\%]{40} in asynchronous mode is
598 obtained for a matrix size of 62 elements. It is noticed that the result remains
599 stable even if we vary the external precision from \np{E-5} to \np{E-9}. By
600 increasing the problem size up to 100 elements, it was necessary to increase the
601 CPU power of \np[\%]{50} to \np[GFlops]{1.5} for a convergence of the algorithm
602 with the same order of asynchronous mode efficiency.  Maintaining such a system
603 power but this time, increasing network throughput inter cluster up to
604 \np[Mbit/s]{50}, the result of efficiency of about \np[\%]{40} is obtained with
605 high external precision of \np{E-11} for a matrix size from 110 to 150 side
606 elements.
607
608 For the 3 clusters architecture including a total of 100 hosts,
609 Table~\ref{tab.cluster.3x33} shows that it was difficult to have a combination
610 which gives an efficiency of asynchronous below \np[\%]{80}. Indeed, for a
611 matrix size of 62 elements, equality between the performance of the two modes
612 (synchronous and asynchronous) is achieved with an inter cluster of
613 \np[Mbit/s]{10} and a latency of \np[ms]{E-1}. To challenge an efficiency by
614 \np[\%]{78} with a matrix size of 100 points, it was necessary to degrade the
615 inter cluster network bandwidth from 5 to \np[Mbit/s]{2}.
616
617 A last attempt was made for a configuration of three clusters but more powerful
618 with 200 nodes in total. The convergence with a speedup of \np[\%]{90} was
619 obtained with a bandwidth of \np[Mbit/s]{1} as shown in
620 Table~\ref{tab.cluster.3x67}.
621
622 \LZK{Dans le papier, on compare les deux versions synchrone et asycnhrone du multisplitting. Y a t il des résultats pour comparer gmres parallèle classique avec multisplitting asynchrone? Ca permettra de montrer l'intérêt du multisplitting asynchrone sur des clusters distants}
623
624 \section{Conclusion}
625 The experimental results on executing a parallel iterative algorithm in 
626 asynchronous mode on an environment simulating a large scale of virtual 
627 computers organized with interconnected clusters have been presented. 
628 Our work has demonstrated that using such a simulation tool allow us to 
629 reach the following three objectives: 
630
631 \begin{enumerate}
632 \item To have a flexible configurable execution platform resolving the 
633 hard exercise to access to very limited but so solicited physical 
634 resources;
635 \item to ensure the algorithm convergence with a reasonable time and
636 iteration number ;
637 \item and finally and more importantly, to find the correct combination 
638 of the cluster and network specifications permitting to save time in 
639 executing the algorithm in asynchronous mode.
640 \end{enumerate}
641 Our results have shown that in certain conditions, asynchronous mode is 
642 speeder up to \np[\%]{40} than executing the algorithm in synchronous mode
643 which is not negligible for solving complex practical problems with more 
644 and more increasing size.
645
646  Several studies have already addressed the performance execution time of 
647 this class of algorithm. The work presented in this paper has 
648 demonstrated an original solution to optimize the use of a simulation 
649 tool to run efficiently an iterative parallel algorithm in asynchronous 
650 mode in a grid architecture. 
651
652 \LZK{Perspectives???}
653
654 \section*{Acknowledgment}
655
656 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
657 \todo[inline]{The authors would like to thank\dots{}}
658
659 % trigger a \newpage just before the given reference
660 % number - used to balance the columns on the last page
661 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
662 % the document is modified later
663 \bibliographystyle{IEEEtran}
664 \bibliography{IEEEabrv,hpccBib}
665
666
667
668 \end{document}
669
670 %%% Local Variables:
671 %%% mode: latex
672 %%% TeX-master: t
673 %%% fill-column: 80
674 %%% ispell-local-dictionary: "american"
675 %%% End:
676
677 % LocalWords:  Ramamonjisoa Laiymani Arnaud Giersch Ziane Khodja Raphaël Femto
678 % LocalWords:  Université Franche Comté IUT Montbéliard Maréchal Juin Inria Sud
679 % LocalWords:  Ouest Vieille Talence cedex scalability experimentations HPC MPI
680 % LocalWords:  Parallelization AIAC GMRES multi SMPI SISC SIAC SimDAG DAGs Lua
681 % LocalWords:  Fortran GFlops priori Mbit de du fcomte multisplitting scalable
682 % LocalWords:  SimGrid Belfort parallelize Labex ANR LABX IEEEabrv hpccBib