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authorRCE <cramamonjisoa@bilbo.iut-bm.univ-fcomte.fr>
Sun, 27 Apr 2014 17:09:56 +0000 (19:09 +0200)
committerRCE <cramamonjisoa@bilbo.iut-bm.univ-fcomte.fr>
Sun, 27 Apr 2014 17:09:56 +0000 (19:09 +0200)
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index 6f7f7ca9efe361e833a75c8c3087215c6ec2691d..640f3ae56c6fb43afd652aaa84139a68b3b29d0b 100644 (file)
--- a/hpcc.tex
+++ b/hpcc.tex
 
 \begin{document}
 
-\title{Simulation of Asynchronous Iterative Numerical Algorithms Using SimGrid}
+\title{Simulation of Asynchronous Iterative Algorithms Using SimGrid}
 
 \author{%
   \IEEEauthorblockN{%
     Charles Emile Ramamonjisoa\IEEEauthorrefmark{1},
+    Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2},
     David Laiymani\IEEEauthorrefmark{1},
-    Arnaud Giersch\IEEEauthorrefmark{1},
-    Lilia Ziane Khodja\IEEEauthorrefmark{2} and
+    Arnaud Giersch\IEEEauthorrefmark{1} and
     Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}
   }
   \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}%
 
 \maketitle
 
-\RC{Ordre des auteurs pas définitif.}
 \begin{abstract}
-\AG{L'abstract est AMHA incompréhensible et ne donne pas envie de lire la suite.}
-In recent years, the scalability of large-scale implementation in a 
-distributed environment of algorithms becoming more and more complex has 
-always been hampered by the limits of physical computing resources 
-capacity. One solution is to run the program in a virtual environment 
-simulating a real interconnected computers architecture. The results are 
-convincing and useful solutions are obtained with far fewer resources 
-than in a real platform. However, challenges remain for the convergence 
-and efficiency of a class of algorithms that concern us here, namely 
-numerical parallel iterative algorithms executed in asynchronous mode, 
-especially in a large scale level. Actually, such algorithm requires a 
-balance and a compromise between computation and communication time 
-during the execution. Two important factors determine the success of the 
-experimentation: the convergence of the iterative algorithm on a large 
-scale and the execution time reduction in asynchronous mode. Once again, 
-from the current work, a simulated environment like SimGrid provides
-accurate results which are difficult or even impossible to obtain in a 
-physical platform by exploiting the flexibility of the simulator on the 
-computing units clusters and the network structure design. Our 
-experimental outputs showed a saving of up to \np[\%]{40} for the algorithm
-execution time in asynchronous mode compared to the synchronous one with 
-a residual precision up to \np{E-11}. Such successful results open
-perspectives on experimentations for running the algorithm on a 
-simulated large scale growing environment and with larger problem size. 
-
-\LZK{Long\ldots}
+
+Synchronous  iterative  algorithms  are  often less  scalable  than  asynchronous
+iterative  ones.  Performing  large  scale experiments  with  different kind  of
+network parameters is not easy  because with supercomputers such parameters are
+fixed. So one  solution consists in using simulations first  in order to analyze
+what parameters  could influence or not  the behaviors of an  algorithm. In this
+paper, we show  that it is interesting to use SimGrid  to simulate the behaviors
+of asynchronous  iterative algorithms. For that,  we compare the  behaviour of a
+synchronous  GMRES  algorithm  with  an  asynchronous  multisplitting  one  with
+simulations  in  which we  choose  some parameters.   Both  codes  are real  MPI
+codes. Simulations allow us to see when the multisplitting algorithm can be more
+efficient than the GMRES one to solve a 3D Poisson problem.
+
 
 % no keywords for IEEE conferences
 % Keywords: Algorithm distributed iterative asynchronous simulation SimGrid
@@ -111,7 +97,7 @@ problems raised by  researchers on various scientific disciplines but also by in
 increasing complexity of these requested  applications combined with a continuous increase of their sizes lead to  write
 distributed and parallel algorithms requiring significant hardware  resources (grid computing, clusters, broadband
 network, etc.) but also a non-negligible CPU execution time. We consider in this paper a class of highly efficient
-parallel algorithms called \emph{numerical iterative algorithms} executed in a distributed environment. As their name
+parallel algorithms called \emph{iterative algorithms} executed in a distributed environment. As their name
 suggests, these algorithms solve a given problem by successive iterations ($X_{n +1} = f(X_{n})$) from an initial value
 $X_{0}$ to find an approximate value $X^*$ of the solution with a very low residual error. Several well-known methods
 demonstrate the convergence of these algorithms~\cite{BT89,Bahi07}.
@@ -127,28 +113,29 @@ at that time. Even if the number of iterations required before the convergence i
 synchronous case, AIAC algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to
 synchronizations especially in a grid computing context (see~\cite{Bahi07} for more details).
 
-Parallel numerical applications (synchronous or asynchronous) may have different
-configuration and deployment requirements.  Quantifying their resource
-allocation policies and application scheduling algorithms in grid computing
-environments under varying load, CPU power and network speeds is very costly,
-very labor intensive and very time
-consuming~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.  The case of AIAC
-algorithms is even more problematic since they are very sensible to the
+Parallel   (synchronous  or  asynchronous)   applications  may   have  different
+configuration   and  deployment   requirements.    Quantifying  their   resource
+allocation  policies and  application  scheduling algorithms  in grid  computing
+environments under  varying load, CPU power  and network speeds  is very costly,
+very          labor           intensive          and          very          time
+consuming~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.     The   case    of   AIAC
+algorithms  is  even  more problematic  since  they  are  very sensible  to  the
 execution environment context. For instance, variations in the network bandwidth
-(intra and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number
-of clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to
-very different execution times. Then, it appears that the use of simulation
-tools to explore various platform scenarios and to run large numbers of
-experiments quickly can be very promising. In this way, the use of a simulation
-environment to execute parallel iterative algorithms found some interests in
-reducing the highly cost of access to computing resources: (1) for the
-applications development life cycle and in code debugging (2) and in production
-to get results in a reasonable execution time with a simulated infrastructure
-not accessible with physical resources. Indeed, the launch of distributed
-iterative asynchronous algorithms to solve a given problem on a large-scale
-simulated environment challenges to find optimal configurations giving the best
+(intra and inter-clusters), in the number  and the power of nodes, in the number
+of clusters\dots{}  can lead to  very different number  of iterations and  so to
+very  different execution times.  Then, it  appears that  the use  of simulation
+tools  to  explore  various platform  scenarios  and  to  run large  numbers  of
+experiments quickly can be very promising.  In this way, the use of a simulation
+environment  to execute parallel  iterative algorithms  found some  interests in
+reducing  the  highly  cost  of  access  to computing  resources:  (1)  for  the
+applications development life cycle and  in code debugging (2) and in production
+to get  results in a reasonable  execution time with  a simulated infrastructure
+not  accessible  with physical  resources.  Indeed,  the  launch of  distributed
+iterative  asynchronous algorithms  to solve  a given  problem on  a large-scale
+simulated environment challenges to  find optimal configurations giving the best
 results with a lowest residual error and in the best of execution time.
 
+<<<<<<< HEAD
 To our knowledge, there is no existing work on the large-scale simulation of a
 real AIAC application. The aim of this paper is twofold. First we give a first
 approach of the simulation of AIAC algorithms using a simulation tool (i.e. the
@@ -176,28 +163,68 @@ iterative asynchronous model.  Then, the simulation framework SimGrid is present
 distributed architectures. The algorithm of  the multisplitting method based on GMRES \LZK{??? GMRES n'utilise pas la méthode de multisplitting! Sinon ne doit on pas expliquer le choix d'une méthode de multisplitting?} \CER{La phrase a été corrigée} written with MPI primitives and
 its adaptation to SimGrid with SMPI (Simulated MPI) is detailed in the next section. At last, the experiments results
 carried out will be presented before some concluding remarks and future works.
+=======
+To our knowledge,  there is no existing work on the  large-scale simulation of a
+real  AIAC application.   {\bf  The contribution  of  the present  paper can  be
+  summarised  in two  main  points}.  First  we  give a  first  approach of  the
+simulation  of  AIAC algorithms  using  a  simulation  tool (i.e.   the  SimGrid
+toolkit~\cite{SimGrid}).    Second,  we   confirm  the   effectiveness   of  the
+asynchronous  multisplitting algorithm  by  comparing its  performance with  the
+synchronous GMRES (Generalized Minimal  Residual) \cite{ref1}.  Both these codes
+can be  used to  solve large linear  systems. In  this paper, we  focus on  a 3D
+Poisson  problem.  We show,  that with  minor modifications  of the  initial MPI
+code, the SimGrid  toolkit allows us to  perform a test campaign of  a real AIAC
+application on different computing architectures.
+% The  simulated results  we
+%obtained are  in line with real  results exposed in  ??\AG[]{ref?}. 
+SimGrid  had  allowed us  to  launch the  application  from  a modest  computing
+infrastructure  by simulating  different distributed  architectures  composed by
+clusters  nodes interconnected by  variable speed  networks.  Parameters  of the
+network  platforms  are   the  bandwidth  and  the  latency   of  inter  cluster
+network. Parameters on the cluster's architecture are the number of machines and
+the  computation power  of a  machine.  Simulations show  that the  asynchronous
+multisplitting algorithm  can solve the  3D Poisson problem  approximately twice
+faster than GMRES with two distant clusters.
+
+
+
+This article is structured as follows: after this introduction, the next section
+will  give a  brief  description  of iterative  asynchronous  model.  Then,  the
+simulation framework  SimGrid is presented  with the settings to  create various
+distributed architectures.  Then, the  multisplitting method is presented, it is
+based  on GMRES to  solve each  block obtained  of the  splitting. This  code is
+written with MPI  primitives and its adaptation to  SimGrid with SMPI (Simulated
+MPI) is  detailed in the next  section. At last, the  simulation results carried
+out will be presented before some concluding remarks and future works.
+>>>>>>> 6785b9ef58de0db67c33ca901c7813f3dfdc76e0
  
 \section{Motivations and scientific context}
 
-As exposed in the introduction, parallel iterative methods are now widely used in many scientific domains. They can be
-classified in three main classes depending on how iterations and communications are managed (for more details readers
-can refer to~\cite{bcvc06:ij}). In the \textit{Synchronous Iterations~-- Synchronous Communications (SISC)} model data
-are exchanged at the end of each iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
-important idle times on processors are generated. The \textit{Synchronous Iterations~-- Asynchronous Communications
-(SIAC)} model can be compared to the previous one except that data required on another processor are sent asynchronously
-i.e.  without stopping current computations. This technique allows to partially overlap communications by computations
-but unfortunately, the overlapping is only partial and important idle times remain.  It is clear that, in a grid
-computing context, where the number of computational nodes is large, heterogeneous and widely distributed, the idle
-times generated by synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use the
-\textit{Asynchronous Iterations~-- Asynchronous Communications (AIAC)} model. Here, local computations do not need to
-wait for required data. Processors can then perform their iterations with the data present at that time. Figure~\ref{fig:aiac}
-illustrates this model where the gray blocks represent the computation phases, the white spaces the idle
-times and the arrows the communications.
-\AG{There are no ``white spaces'' on the figure.}
-With this algorithmic model, the number of iterations required before the
-convergence is generally greater than for the two former classes. But, and as detailed in~\cite{bcvc06:ij}, AIAC
-algorithms can significantly reduce overall execution times by suppressing idle times due to synchronizations especially
-in a grid computing context.\LZK{Répétition par rapport à l'intro}
+As exposed in  the introduction, parallel iterative methods  are now widely used
+in  many  scientific domains.  They  can be  classified  in  three main  classes
+depending on  how iterations  and communications are  managed (for  more details
+readers can refer to~\cite{bcvc06:ij}). In the \textit{Synchronous Iterations~--
+  Synchronous Communications (SISC)} model data are exchanged at the end of each
+iteration. All the processors must begin the same iteration at the same time and
+important  idle  times  on  processors are  generated.  The  \textit{Synchronous
+  Iterations~-- Asynchronous Communications (SIAC)} model can be compared to the
+previous  one  except   that  data  required  on  another   processor  are  sent
+asynchronously  i.e.   without  stopping  current computations.  This  technique
+allows to  partially overlap  communications by computations  but unfortunately,
+the overlapping  is only partial and  important idle times remain.   It is clear
+that, in  a grid computing context,  where the number of  computational nodes is
+large,  heterogeneous  and  widely  distributed,  the idle  times  generated  by
+synchronizations are very penalizing. One way to overcome this problem is to use
+the  \textit{Asynchronous   Iterations~--  Asynchronous  Communications  (AIAC)}
+model.   Here,  local   computations  do   not   need  to   wait  for   required
+data. Processors can then perform their iterations with the data present at that
+time.  Figure~\ref{fig:aiac}  illustrates  this  model  where  the  gray  blocks
+represent the  computation phases.  With  this algorithmic model, the  number of
+iterations required before the convergence is generally greater than for the two
+former classes.  But, and as  detailed in~\cite{bcvc06:ij}, AIAC  algorithms can
+significantly reduce  overall execution times  by suppressing idle times  due to
+synchronizations  especially  in a  grid  computing context.
+%\LZK{Répétition  par  rapport à l'intro}
 
 \begin{figure}[!t]
   \centering
@@ -206,26 +233,38 @@ in a grid computing context.\LZK{Répétition par rapport à l'intro}
   \label{fig:aiac}
 \end{figure}
 
+\RC{Je serais partant de virer AIAC et laisser asynchronous algorithms... à voir}
+
+%% It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
+%% heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
+%% engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
+%% these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
+%% novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
+%% the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
+%% large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
+%% context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
+%% scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
+%% promising. Several works\dots{}
+
+%% \AG{Several works\dots{} what?\\
+%  Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
+In the context of asynchronous algorithms, the number of iterations to reach the
+convergence depends on  the delay of messages. With  synchronous iterations, the
+number of  iterations is exactly  the same than  in the sequential mode  (if the
+parallelization process does  not change the algorithm). So  the difficulty with
+asynchronous algorithms comes from the fact it is necessary to run the algorithm
+with real data. In fact, from an execution to another the order of messages will
+change and the  number of iterations to reach the  convergence will also change.
+According  to all  the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of
+nodes,  inter  and  intra clusrters  bandwith  and  latency,  ....) and  of  the
+algorithm  (number   of  splitting  with  the   multisplitting  algorithm),  the
+multisplitting code  will obtain the solution  more or less  quickly. Or course,
+the GMRES method also depends of the same parameters. As it is difficult to have
+access to  many clusters,  grids or supercomputers  with many  different network
+parameters,  it  is  interesting  to  be  able  to  simulate  the  behaviors  of
+asynchronous iterative algoritms before being able to runs real experiments.
 
-It is very challenging to develop efficient applications for large scale,
-heterogeneous and distributed platforms such as computing grids. Researchers and
-engineers have to develop techniques for maximizing application performance of
-these multi-cluster platforms, by redesigning the applications and/or by using
-novel algorithms that can account for the composite and heterogeneous nature of
-the platform. Unfortunately, the deployment of such applications on these very
-large scale systems is very costly, labor intensive and time consuming. In this
-context, it appears that the use of simulation tools to explore various platform
-scenarios at will and to run enormous numbers of experiments quickly can be very
-promising. Several works\dots{}
 
-\AG{Several works\dots{} what?\\
-  Le paragraphe suivant se trouve déjà dans l'intro ?}
-In the context of AIAC algorithms, the use of simulation tools is even more
-relevant. Indeed, this class of applications is very sensible to the execution
-environment context. For instance, variations in the network bandwidth (intra
-and inter-clusters), in the number and the power of nodes, in the number of
-clusters\dots{} can lead to very different number of iterations and so to very
-different execution times.
 
 
 
@@ -393,6 +432,42 @@ where $\MI$ is the maximum number of outer iterations and $\epsilon$ is the
 tolerance threshold of the error computed between two successive local solution
 $X_\ell^k$ and $X_\ell^{k+1}$.
 
+
+
+In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
+\begin{equation}
+\left\{
+\begin{array}{l}
+\nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
+u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
+\end{array}
+\right.
+\label{eq:02}
+\end{equation}
+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 
+\begin{equation}
+\begin{array}{ll}
+u^{k+1}(x,y,z)= & u^k(x,y,z) - \frac{1}{6}\times\\
+               & (u^k(x-1,y,z) + u^k(x+1,y,z) + \\
+               & u^k(x,y-1,z) + u^k(x,y+1,z) + \\
+               & u^k(x,y,z-1) + u^k(x,y,z+1)),
+\end{array}
+\label{eq:03}
+\end{equation} 
+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. 
+
+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. 
+
+\begin{figure}[!t]
+\centering
+  \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
+\caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
+\label{fig:4.2}
+\end{figure}
+
+
+
+
 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 We did not encounter major blocking problems when adapting the multisplitting algorithm previously described to a simulation environment like SimGrid unless some code 
 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 
@@ -413,7 +488,7 @@ environment. We have successfully executed the code in synchronous mode using pa
 
 
 
-\section{Experimental results}
+\section{Simulation results}
 
 When the \textit{real} application runs in the simulation environment and produces the expected results, varying the input
 parameters and the program arguments allows us to compare outputs from the code execution. We have noticed from this
@@ -443,40 +518,6 @@ configuration, degrading the inter-cluster network performance will penalize the
 synchronous mode allowing to get a relative gain greater than 1.  This action
 simulates the case of distant clusters linked with long distance network as in grid computing context.
 
-\AG{Cette partie sur le poisson 3D
-  % on sait donc que ce n'est pas une plie ou une sole (/me fatigué)
-  n'est pas à sa place.  Elle devrait être placée plus tôt.}
-In this paper, we solve the 3D Poisson problem whose the mathematical model is 
-\begin{equation}
-\left\{
-\begin{array}{l}
-\nabla^2 u = f \text{~in~} \Omega \\
-u =0 \text{~on~} \Gamma =\partial\Omega
-\end{array}
-\right.
-\label{eq:02}
-\end{equation}
-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 
-\begin{equation}
-\begin{array}{ll}
-u^{k+1}(x,y,z)= & u^k(x,y,z) - \frac{1}{6}\times\\
-               & (u^k(x-1,y,z) + u^k(x+1,y,z) + \\
-               & u^k(x,y-1,z) + u^k(x,y+1,z) + \\
-               & u^k(x,y,z-1) + u^k(x,y,z+1)),
-\end{array}
-\label{eq:03}
-\end{equation} 
-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. 
-
-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. 
-
-\begin{figure}[!t]
-\centering
-  \includegraphics[width=80mm,keepaspectratio]{partition}
-\caption{Example of the 3D data partitioning between two clusters of processors.}
-\label{fig:4.2}
-\end{figure}
-
 
 % As a first step, 
 The algorithm was run on a two clusters based network with 50 hosts each, totaling 100 hosts. Various combinations of the above