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18
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52
53 \begin{document}
54
55 \begin{frontmatter}
56
57 \title{Efficient high degree polynomial root finding using GPU}
58
59 %% Group authors per affiliation:
60 %\author{Elsevier\fnref{myfootnote}}
61 %\address{Radarweg 29, Amsterdam}
62 %\fntext[myfootnote]{Since 1880.}
63
64 %% or include affiliations in footnotes:
65 \author[mymainaddress]{Kahina Ghidouche}
66 %%\ead[url]{kahina.ghidouche@univ-bejaia.dz}
67 \cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
68 \ead{kahina.ghidouche@univ-bejaia.dz}
69
70 \author[mysecondaryaddress]{Raphaël Couturier\corref{mycorrespondingauthor}}
71 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
72 \ead{raphael.couturier@univ-fcomte.fr}
73
74 \author[mymainaddress]{Abderrahmane Sider}
75 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
76 \ead{ar.sider@univ-bejaia.dz}
77
78 \address[mymainaddress]{Laboratoire LIMED, Faculté des sciences
79   exactes, Université de Bejaia, 06000, Algeria}
80 \address[mysecondaryaddress]{FEMTO-ST Institute, University of
81   Bourgogne Franche-Comte, France }
82
83 \begin{abstract}
84 Polynomials are mathematical algebraic structures that play a great
85 role in science and engineering. Finding roots of high degree
86 polynomials is computationally demanding. In this paper, we present
87 the results of a parallel implementation of the Ehrlich-Aberth
88 algorithm for the root finding problem for high degree polynomials on
89 GPU architectures. The main result of this
90 work is to be able to solve high degree polynomials (up
91 to 1,000,000) very efficiently. We also compare the results with a
92 sequential implementation and the Durand-Kerner method on full and
93 sparse polynomials.
94 \end{abstract}
95
96 \begin{keyword}
97 Polynomial root finding, Iterative methods, Ehrlich-Aberth, Durand-Kerner, GPU
98 \end{keyword}
99
100 \end{frontmatter}
101
102 \linenumbers
103
104 \section{The problem of finding roots of a polynomial}
105 Polynomials are mathematical algebraic structures used in science and engineering to capture physical phenomenons and to express any outcome in the form of a function of some unknown variables. Formally speaking,  a polynomial $p(x)$ of degree \textit{n} having $n$ coefficients in the complex plane \textit{C} is :
106 %%\begin{center}
107 \begin{equation}
108      {\Large p(x)=\sum_{i=0}^{n}{a_{i}x^{i}}}.
109 \end{equation}
110 %%\end{center}
111
112 The root finding problem consists in finding the values of all the $n$ values of the variable $x$ for which \textit{p(x)} is nullified. Such values are called zeroes of $p$. If zeros are $\alpha_{i},\textit{i=1,...,n}$ the $p(x)$ can be written as :
113 \begin{equation}
114      {\Large p(x)=a_{n}\prod_{i=1}^{n}(x-\alpha_{i}), a_{0} a_{n}\neq 0}.
115 \end{equation}
116
117 The problem of finding a root is equivalent to that of solving a fixed-point problem. To see this, consider the fixed-point problem of finding the $n$-dimensional
118 vector $x$ such that
119 \begin{center}
120 $x=g(x)$
121 \end{center}
122 where $g : C^{n}\longrightarrow C^{n}$. Usually, we can easily
123 rewrite this fixed-point problem as a root-finding problem by
124 setting $f(x) = x-g(x)$ and likewise we can recast the
125 root-finding problem into a fixed-point problem by setting
126 \begin{center}
127 $g(x)= f(x)-x$.
128 \end{center}
129
130 Often it is not be possible to solve such nonlinear equation
131 root-finding problems analytically. When this occurs we turn to
132 numerical methods to approximate the solution. 
133 Generally speaking, algorithms for solving problems can be divided into
134 two main groups: direct methods and iterative methods.
135 \\
136 Direct methods exist only for $n \leq 4$, solved in closed form by G. Cardano
137 in the mid-16th century. However, N. H. Abel in the early 19th
138 century showed that polynomials of degree five or more could not
139 be solved by  direct methods. Since then, mathmathicians have
140 focussed on numerical (iterative) methods such as the famous
141 Newton method, the Bernoulli method of the 18th, and the Graeffe method.
142
143 Later on, with the advent of electronic computers, other methods have
144 been developed such as the Jenkins-Traub method, the Larkin method,
145 the Muller method, and several methods for simultaneous
146 approximation of all the roots, starting with the Durand-Kerner (DK)
147 method:
148 %%\begin{center}
149 \begin{equation}
150  Z_{i}=Z_{i}-\frac{P(Z_{i})}{\prod_{i\neq j}(z_{i}-z_{j})}
151 \end{equation}
152 %%\end{center}
153
154 This formula is mentioned for the first time by
155 Weiestrass~\cite{Weierstrass03} as part of the fundamental theorem
156 of Algebra and is rediscovered by Ilieff~\cite{Ilie50},
157 Docev~\cite{Docev62}, Durand~\cite{Durand60},
158 Kerner~\cite{Kerner66}. Another method discovered by
159 Borsch-Supan~\cite{ Borch-Supan63} and also described and brought
160 in the following form by Ehrlich~\cite{Ehrlich67} and
161 Aberth~\cite{Aberth73} uses a different iteration formula given as fellows :
162 %%\begin{center}
163 \begin{equation}
164  Z_{i}=Z_{i}-\frac{1}{{\frac {P'(Z_{i})} {P(Z_{i})}}-{\sum_{i\neq j}(z_{i}-z_{j})}}.
165 \end{equation}
166 %%\end{center}
167
168 Aberth, Ehrlich and Farmer-Loizou~\cite{Loizon83} have proved that
169 the Ehrlich-Aberth method (EA) has a cubic order of convergence for simple roots whereas the Durand-Kerner has a quadratic order of convergence.
170
171
172 Iterative methods raise several problem when implemented e.g.
173 specific sizes of numbers must be used to deal with this
174 difficulty. Moreover, the convergence time of iterative methods
175 drastically increases like the degrees of high polynomials. It is expected that the
176 parallelization of these algorithms will improve the convergence
177 time.
178
179 Many authors have dealt with the parallelisation of
180 simultaneous methods, i.e. that find all the zeros simultaneously. 
181 Freeman~\cite{Freeman89} implemeted and compared DK, EA and another method of the fourth order proposed
182 by Farmer and Loizou~\cite{Loizon83}, on a 8- processor linear
183 chain, for polynomials of degree up to 8. The third method often
184 diverges, but the first two methods have speed-up 5.5
185 (speed-up=(Time on one processor)/(Time on p processors)). Later,
186 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90}  considered asynchronous
187 algorithms, in which each processor continues to update its
188 approximations even though the latest values of other $z_i((k))$
189 have not been received from the other processors, in contrast with synchronous algorithms where it would wait those values before making a new iteration.
190 Couturier et al. ~\cite{Raphaelall01} proposed two methods of parallelisation for
191 a shared memory architecture and for distributed memory one. They were able to
192 compute the roots of polynomials of degree 10000 in 430 seconds with only 8
193 personal computers and 2 communications per iteration. Comparing to the sequential implementation
194 where it takes up to 3300 seconds to obtain the same results, the authors show an interesting speedup, indeed.
195
196 Very few works had been since this last work until the appearing of
197 the Compute Unified Device Architecture (CUDA)~\cite{CUDA10}, a
198 parallel computing platform and a programming model invented by
199 NVIDIA. The computing power of GPUs (Graphics Processing Unit) has exceeded that of
200 of CPUs. However, CUDA adopts a totally new computing architecture to use the
201 hardware resources provided by GPU in order to offer a stronger
202 computing ability to the massive data computing.
203
204
205 Ghidouche et al. ~\cite{Kahinall14} proposed an implementation of the
206 Durand-Kerner method on GPU. Their main
207 result showed that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as
208 the sequential implementation on a single CPU for high degree
209 polynomials of about 48000. To our knowledge, it is the first time such high degree polynomials are numerically solved.
210
211
212 In this paper, we focus on the implementation of the Aberth method for
213 high degree polynomials on GPU. The paper is organised as fellows. Initially, we recall the Aberth method in Section.\ref{sec1}. Improvements for the Aberth method are proposed in Section.\ref{sec2}. Related work to the implementation of simultaneous methods using a parallel approach is presented in Section.\ref{secStateofArt}.
214 In Section.4 we propose a parallel implementation of the Aberth method on GPU and discuss it. Section 5 presents and investigates our implementation and experimental study results. Finally, Section 6 concludes this paper and gives some hints for future research directions in this topic.  
215
216 \section{The Sequential Aberth method}
217 \label{sec1}
218 A cubically convergent iteration method for finding zeros of
219 polynomials was proposed by O.Aberth~\cite{Aberth73}. The Aberth
220 method is a purely algebraic derivation. To illustrate the
221 derivation, we let $w_{i}(z)$ be the product of linear factors 
222
223 \begin{equation}
224 w_{i}(z)=\prod_{j=1,j \neq i}^{n} (z-x_{j})
225 \end{equation}
226
227 And let a rational function $R_{i}(z)$ be the correction term of the
228 Weistrass method~\cite{Weierstrass03}
229
230 \begin{equation}
231 R_{i}(z)=\frac{p(z)}{w_{i}(z)} , i=1,2,...,n.
232 \end{equation}
233
234 Differentiating the rational function $R_{i}(z)$ and applying the
235 Newton method, we have:
236
237 \begin{equation}
238 \frac{R_{i}(z)}{R_{i}^{'}(z)}= \frac{p(z)}{p^{'}(z)-p(z)\frac{w_{i}(z)}{w_{i}^{'}(z)}}= \frac{p(z)}{p^{'}(z)-p(z) \sum _{j=1,j \neq i}^{n}\frac{1}{z-x_{i}}}, i=1,2,...,n
239 \end{equation}
240
241 Substituting $x_{j}$ for z we obtain the Aberth iteration method.
242
243 In the fellowing we present the main stages of the running of the Aberth method.
244
245 \subsection{Polynomials Initialization}
246 The initialization of a polynomial p(z) is done by setting each of the $n$ complex coefficients $a_{i}$
247 :
248
249 \begin{equation}
250 \label{eq:SimplePolynome}
251   p(z)=\sum{a_{i}z^{n-i}} , a_{n} \neq 0,a_{0}=1, a_{i}\subset C
252 \end{equation}
253
254
255 \subsection{Vector $z^{(0)}$ Initialization}
256
257 Like for any iterative method, we need to choose $n$ initial guess points $z^{(0)}_{i}, i = 1, . . . , n.$
258 The initial guess is very important since the number of steps needed by the iterative method to reach
259 a given approximation strongly depends on it.
260 In~\cite{Aberth73} the Aberth iteration is started by selecting $n$
261 equi-spaced points on a circle of center 0 and radius r, where r is
262 an upper bound to the moduli of the zeros. Later, Bini et al.~\cite{Bini96}
263 performed this choice by selecting complex numbers along different
264 circles and relies on the result of~\cite{Ostrowski41}.
265
266 \begin{equation}
267 \label{eq:radiusR}
268 %%\begin{align}
269 \sigma_{0}=\frac{u+v}{2};u=\frac{\sum_{i=1}^{n}u_{i}}{n.max_{i=1}^{n}u_{i}};
270 v=\frac{\sum_{i=0}^{n-1}v_{i}}{n.min_{i=0}^{n-1}v_{i}};\\
271 %%\end{align}
272 \end{equation}
273 Where:
274 \begin{equation}
275 u_{i}=2.|a_{i}|^{\frac{1}{i}};
276 v_{i}=\frac{|\frac{a_{n}}{a_{i}}|^{\frac{1}{n-i}}}{2}.
277 \end{equation}
278
279 \subsection{Iterative Function $H_{i}$}
280 The operator used by the Aberth method is corresponding to the
281 following equation which will enable the convergence towards
282 polynomial solutions, provided all the roots are distinct.
283
284 \begin{equation}
285 H_{i}(z)=z_{i}-\frac{1}{\frac{p^{'}(z_{i})}{p(z_{i})}-\sum_{j\neq
286 i}{\frac{1}{z_{i}-z_{j}}}}
287 \end{equation}
288
289 \subsection{Convergence Condition}
290 The convergence condition determines the termination of the algorithm. It consists in stopping from running
291 the iterative function $H_{i}(z)$ when the roots are sufficiently stable. We consider that the method
292 converges sufficiently when :
293
294 \begin{equation}
295 \label{eq:Aberth-Conv-Cond}
296 \forall i \in
297 [1,n];\frac{z_{i}^{(k)}-z_{i}^{(k-1)}}{z_{i}^{(k)}}<\xi
298 \end{equation}
299
300
301 \section{Improving the Ehrlich-Aberth Method}
302 \label{sec2}
303 The Ehrlich-Aberth method implementation suffers of overflow problems. This
304 situation occurs, for instance, in the case where a polynomial
305 having positive coefficients and a large degree is computed at a
306 point $\xi$ where $|\xi| > 1$, where $|x|$ stands for the modolus of a complex $x$. Indeed, the limited number in the
307 mantissa of floating points representations makes the computation of p(z) wrong when z
308 is large. For example $(10^{50}) +1+ (- 10^{50})$ will give the wrong result
309 of $0$ instead of $1$. Consequently, we can not compute the roots
310 for large degrees. This problem was early discussed in
311 ~\cite{Karimall98} for the Durand-Kerner method, the authors
312 propose to use the logarithm and the exponential of a complex in order to compute the power at a high exponent.
313
314 \begin{equation}
315 \label{deflncomplex}
316  \forall(x,y)\in R^{*2}; \ln (x+i.y)=\ln(x^{2}+y^{2})
317 2+i.\arcsin(y\sqrt{x^{2}+y^{2}})_{\left] -\pi, \pi\right[ }
318 \end{equation}
319 %%\begin{equation}
320 \begin{align}
321 \label{defexpcomplex}
322  \forall(x,y)\in R^{*2}; \exp(x+i.y) & = \exp(x).\exp(i.y)\\
323                                      & =\exp(x).\cos(y)+i.\exp(x).\sin(y)\label{defexpcomplex}
324 \end{align}
325 %%\end{equation}
326
327 Using the logarithm (eq.~\ref{deflncomplex}) and the exponential (eq.~\ref{defexpcomplex}) operators, we can replace any multiplications and divisions with additions and subtractions. Consequently, computations
328 manipulate lower absolute values and the roots for large polynomial's degrees can be looked for successfully~\cite{Karimall98}.
329
330 Applying this solution for the Aberth method we obtain the
331 iteration function with logarithm:
332 %%$$ \exp \bigl(  \ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'}))- \ln(1- \exp(\ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'})+\ln\sum_{i\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}})$$
333 \begin{equation}
334 \label{Log_H2}
335 H_{i}(z)=z_{i}^{k}-\exp \left(\ln \left(
336 p(z_{k})\right)-\ln\left(p(z_{k}^{'})\right)- \ln
337 \left(1-Q(z_{k})\right)\right),
338 \end{equation}
339
340 where:
341
342 \begin{equation}
343 \label{Log_H1}
344 Q(z_{k})=\exp\left( \ln (p(z_{k}))-\ln(p(z_{k}^{'}))+\ln \left(
345 \sum_{k\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}}\right)\right).
346 \end{equation}
347
348 This solution is applied when the root except the circle unit, represented by the radius $R$ evaluated as:
349 \begin{equation}
350 \label{R}
351 R = \exp( \log(DBL\_MAX) / (2*n) )
352 \end{equation}
353  where $DBL\_MAX$ stands for the maximum representable double value.
354
355 \section{The implementation of simultaneous methods in a parallel computer}
356 \label{secStateofArt}   
357 The main problem of simultaneous methods is that the necessary
358 time needed for convergence is increased when we increase
359 the degree of the polynomial. The parallelisation of these
360 algorithms is expected to improve the convergence time.
361 Authors usually adopt one of the two following approaches to parallelize root
362 finding algorithms. The first approach aims at reducing the total number of
363 iterations as by Miranker
364 ~\cite{Mirankar68,Mirankar71}, Schedler~\cite{Schedler72} and
365 Winogard~\cite{Winogard72}. The second approach aims at reducing the
366 computation time per iteration, as reported
367 in~\cite{Benall68,Jana06,Janall99,Riceall06}. 
368
369 There are many schemes for the simultaneous approximation of all roots of a given
370 polynomial. Several works on different methods and issues of root
371 finding have been reported in~\cite{Azad07, Gemignani07, Kalantari08, Skachek08, Zhancall08, Zhuall08}. However, Durand-Kerner and Ehrlich-Aberth methods are the most practical choices among
372 them~\cite{Bini04}. These two methods have been extensively
373 studied for parallelization due to their intrinsics, i.e. the
374 computations involved in both methods has some inherent
375 parallelism that can be suitably exploited by SIMD machines.
376 Moreover, they have fast rate of convergence (quadratic for the
377 Durand-Kerner and cubic for the Ehrlich-Aberth). Various parallel
378 algorithms reported for these methods can be found
379 in~\cite{Cosnard90, Freeman89,Freemanall90,Jana99,Janall99}.
380 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90} presented two parallel
381 algorithms on a local memory MIMD computer with the compute-to
382 communication time ratio O(n). However, their algorithms require
383 each processor to communicate its current approximation to all
384 other processors at the end of each iteration (synchronous). Therefore they
385 cause a high degree of memory conflict. Recently the author
386 in~\cite{Mirankar71} proposed two versions of parallel algorithm
387 for the Durand-Kerner method, and Ehrlich-Aberth method on a model of
388 Optoelectronic Transpose Interconnection System (OTIS).The
389 algorithms are mapped on an OTIS-2D torus using N processors. This
390 solution needs N processors to compute N roots, which is not
391 practical for solving polynomials with large degrees.
392 Until very recently, the literature doen not mention implementations able to compute the roots of
393 large degree polynomials (higher then 1000) and within small or at least tractable times. Finding polynomial roots rapidly and accurately is the main objective of our work. 
394 With the advent of CUDA (Compute Unified Device
395 Architecture), finding the roots of polynomials receives a new attention because of the new possibilities to solve higher degree polynomials in less time. 
396 In~\cite{Kahinall14} we already proposed the first implementation
397 of a root finding method on GPUs, that of the Durand-Kerner method. The main result showed
398 that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as the
399 sequential implementation on a single CPU for high degree
400 polynomials of 48000. In this paper we present a parallel implementation of Ehlisch-Aberth method on
401 GPUs, which details are discussed in the sequel.
402
403
404 \section {A CUDA parallel Ehrlich-Aberth method}
405 In the following, we describe the parallel implementation of Ehrlich-Aberth method on GPU 
406 for solving high degree polynomials. First, the hardware and software of the GPUs are presented. Then, a CUDA parallel Ehrlich-Aberth method are presented.
407
408 \subsection{Background on the GPU architecture}
409 A GPU is viewed as an accelerator for the data-parallel and
410 intensive arithmetic computations. It draws its computing power
411 from the parallel nature of its hardware and software
412 architectures. A GPU is composed of hundreds of Streaming
413 Processors (SPs) organized in several blocks called Streaming
414 Multiprocessors (SMs). It also has a memory hierarchy. It has a
415 private read-write local memory per SP, fast shared memory and
416 read-only constant and texture caches per SM and a read-write
417 global memory shared by all its SPs~\cite{NVIDIA10}.
418
419 On a CPU equipped with a GPU, all the data-parallel and intensive
420 functions of an application running on the CPU are off-loaded onto
421 the GPU in order to accelerate their computations. A similar
422 data-parallel function is executed on a GPU as a kernel by
423 thousands or even millions of parallel threads, grouped together
424 as a grid of thread blocks. Therefore, each SM of the GPU executes
425 one or more thread blocks in SIMD fashion (Single  Instruction,
426 Multiple Data) and in turn each SP of a GPU SM runs one or more
427 threads within a block in SIMT fashion (Single Instruction,
428 Multiple threads). Indeed at any given clock cycle, the threads
429 execute the same instruction of a kernel, but each of them
430 operates on different data.
431  GPUs only work on data filled in their
432 global memories and the final results of their kernel executions
433 must be communicated to their CPUs. Hence, the data must be
434 transferred in and out of the GPU. However, the speed of memory
435 copy between the GPU and the CPU is slower than the memory
436 bandwidths of the GPU memories and, thus, it dramatically affects
437 the performances of GPU computations. Accordingly, it is necessary
438 to limit as much as possible, data transfers between the GPU and its CPU during the
439 computations.
440 \subsection{Background on the CUDA Programming Model}
441
442 The CUDA programming model is similar in style to a single program
443 multiple-data (SPMD) software model. The GPU is viewed as a
444 coprocessor that executes data-parallel kernel functions. CUDA
445 provides three key abstractions, a hierarchy of thread groups,
446 shared memories, and barrier synchronization. Threads have a three
447 level hierarchy. A grid is a set of thread blocks that execute a
448 kernel function. Each grid consists of blocks of threads. Each
449 block is composed of hundreds of threads. Threads within one block
450 can share data using shared memory and can be synchronized at a
451 barrier. All threads within a block are executed concurrently on a
452 multithreaded architecture.The programmer specifies the number of
453 threads per block, and the number of blocks per grid. A thread in
454 the CUDA programming language is much lighter weight than a thread
455 in traditional operating systems. A thread in CUDA typically
456 processes one data element at a time. The CUDA programming model
457 has two shared read-write memory spaces, the shared memory space
458 and the global memory space. The shared memory is local to a block
459 and the global memory space is accessible by all blocks. CUDA also
460 provides two read-only memory spaces, the constant space and the
461 texture space, which reside in external DRAM, and are accessed via
462 read-only caches.
463
464 \subsection{ The implementation of Aberth method on GPU}
465 %%\subsection{A CUDA implementation of the Aberth's method }
466 %%\subsection{A GPU implementation of the Aberth's method }
467
468
469
470 \subsubsection{A sequential Aberth algorithm}
471 The main steps of Aberth method are shown in Algorithm.~\ref{alg1-seq} :
472   
473 \begin{algorithm}[H]
474 \label{alg1-seq}
475 %\LinesNumbered
476 \caption{A sequential algorithm to find roots with the Aberth method}
477
478 \KwIn{$Z^{0}$(Initial root's vector),$\varepsilon$ (error
479 tolerance threshold),P(Polynomial to solve)}
480
481 \KwOut {Z(The solution root's vector)}
482
483 \BlankLine
484
485 Initialization of the coefficients of the polynomial to solve\;
486 Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
487
488 \While {$\Delta z_{max}\succ \epsilon$}{
489  Let $\Delta z_{max}=0$\;
490 \For{$j \gets 0 $ \KwTo $n$}{
491 $ZPrec\left[j\right]=Z\left[j\right]$\;
492 $Z\left[j\right]=H\left(j,Z\right)$\;
493 }
494
495 \For{$i \gets 0 $ \KwTo $n-1$}{
496 $c=\frac{\left|Z\left[i\right]-ZPrec\left[i\right]\right|}{Z\left[i\right]}$\;
497 \If{$c\succ\Delta z_{max}$ }{
498 $\Delta z_{max}$=c\;}
499 }
500 }
501 \end{algorithm}
502
503 ~\\ 
504 In this sequential algorithm, one CPU thread  executes all the steps. Let us look to the $3^{rd}$ step i.e. the execution of the iterative function, 2 sub-steps are needed. The first sub-step \textit{save}s the solution vector of the previous iteration, the second sub-step \textit{update}s or computes the new values of the roots vector.
505 There exists two ways to execute the iterative function that we call a Jacobi one and a Gauss-Seidel one. With the Jacobi iteration, at iteration $k+1$ we need all the previous values $z^{(k)}_{i}$ to compute the new values $z^{(k+1)}_{i}$, that is :
506
507 \begin{equation}
508 H(i,z^{k+1})=\frac{p(z^{(k)}_{i})}{p'(z^{(k)}_{i})-p(z^{(k)}_{i})\sum^{n}_{j=1 j\neq i}\frac{1}{z^{(k)}_{i}-z^{(k)}_{j}}}, i=1,...,n.
509 \end{equation}
510
511 With the Gauss-seidel iteration, we have:
512 \begin{equation}
513 \label{eq:Aberth-H-GS}
514 H(i,z^{k+1})=\frac{p(z^{(k)}_{i})}{p'(z^{(k)}_{i})-p(z^{(k)}_{i})(\sum^{i-1}_{j=1}\frac{1}{z^{(k)}_{i}-z^{(k+1)}_{j}}+\sum^{n}_{j=i+1}\frac{1}{z^{(k)}_{i}-z^{(k)}_{j}})}, i=1,...,n.
515 \end{equation}
516
517 Using Equation.~\ref{eq:Aberth-H-GS} for the update sub-step of $H(i,z^{k+1})$, we expect the Gauss-Seidel iteration to converge more quickly because, just as its ancestor (for solving linear systems of equations), it uses the most fresh computed roots $z^{k+1}_{i}$.
518
519 The $4^{th}$ step of the algorithm checks the convergence condition using Equation.~\ref{eq:Aberth-Conv-Cond}.
520 Both steps 3 and 4 use 1 thread to compute all the $n$ roots on CPU, which is very harmful for performance in case of the large degree polynomials.
521
522 \paragraph{The execution time}
523 Let $T_{i}(n)$ be the time to compute one new root value at step 3, $T_{i}$ depends on the polynomial's degree $n$. When $n$ increase $T_{i}(n)$ increases too. We need $n.T_{i}(n)$ to compute all the new values in one iteration at step 3.
524
525 Let $T_{j}$ be the time needed to check the convergence of one root value at the step 4, so we need $n.T_{j}$ to compute global convergence condition in each iteration at step 4.
526
527 Thus, the execution time for both steps 3 and 4 is:
528 \begin{equation}
529 T_{iter}=n(T_{i}(n)+T_{j})+O(n).
530 \end{equation}
531 Let $K$ be the number of iterations necessary to compute all the roots, so the total execution time $T$ can be given as:
532
533 \begin{equation}
534 \label{eq:T-global}
535 T=\left[n\left(T_{i}(n)+T_{j}\right)+O(n)\right].K
536 \end{equation}
537 The execution time increases with the increasing of the polynomial degree, which justifies to parallelise these steps  in order to reduce the global execution time. In the following,  we explain how we did parrallelize these steps on a GPU architecture using the CUDA platform.
538
539 \subsubsection{A Parallel implementation with CUDA }
540 On the CPU,  both steps 3 and 4 contain the loop \verb=for= and a single thread executes all the instructions in the loop $n$ times. In this subsection, we explain how the GPU architecture can compute this loop and reduce the execution time.
541 In the GPU, the schduler assigns the execution of this loop to a group of threads organised as a grid of blocks with block containing a number of threads. All threads within a block are executed concurrently in parallel. The instructions run on the GPU are grouped in special function called kernels. It's up to the programmer, to describe the execution context, that is the size of the Grid, the number of blocks and the number of threads per block upon the call of a given kernel, according to a special syntax defined by CUDA.
542
543 Let N be the number of threads executed in parallel,  Equation.~\ref{eq:T-global} becomes then : 
544
545 \begin{equation}
546 T=\left[\frac{n}{N}\left(T_{i}(n)+T_{j}\right)+O(n)\right].K.
547 \end{equation}
548
549 In theory, total execution time $T$ on GPU is speed up $N$ times as  $T$ on CPU. We will see at what extent this is true in the experimental study hereafter. 
550 ~\\
551 ~\\
552 In CUDA programming, all the instructions of the  \verb=for= loop are executed by the GPU as a kernel. A kernel is a function written in CUDA and defined by the  \verb=__global__= qualifier added before a usual ``C`` function, which instructs the compiler to generate appropriate code to pass it to the CUDA runtime in order to be executed on the GPU. 
553
554 Algorithm~\ref{alg2-cuda} shows a sketch of the Aberth algorithm usind CUDA.
555
556 \begin{algorithm}[H]
557 \label{alg2-cuda}
558 %\LinesNumbered
559 \caption{CUDA Algorithm to find roots with the Aberth method}
560
561 \KwIn{$Z^{0}$(Initial root's vector),$\varepsilon$ (error
562 tolerance threshold),P(Polynomial to solve)}
563
564 \KwOut {Z(The solution root's vector)}
565
566 \BlankLine
567
568 Initialization of the coeffcients of the polynomial to solve\;
569 Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
570 Allocate and copy initial data to the GPU global memory\;
571
572 \While {$\Delta z_{max}\succ \epsilon$}{
573  Let $\Delta z_{max}=0$\;
574 $ kernel\_save(d\_z^{k-1})$\;
575 $ kernel\_update(d\_z^{k})$\;
576 $kernel\_testConverge(\Delta z_{max},d_z^{k},d_z^{k-1})$\;
577 }
578 \end{algorithm}
579 ~\\ 
580
581 After the initialisation step, all data of the root finding problem to be solved must be copied from the CPU memory to the GPU global memory, because the GPUs only access data already present in their memories. Next, all the data-parallel arithmetic operations inside the main loop \verb=(do ... while(...))= are executed as kernels by the GPU. The first kernel named \textit{save} in line 6 of Algorithm~\ref{alg2-cuda} consists in saving the vector of polynomial's root found at the previous time-step in GPU memory, in order to check the convergence of the roots after each iteration (line 8, Algorithm~\ref{alg2-cuda}).
582
583 The second kernel executes the iterative function $H$ and updates $z^{k}$, according to Algorithm~\ref{alg3-update}. We notice that the update kernel is called in two forms, separated with the value of \emph{R} which determines the radius beyond which we apply the logarithm computation of the power of a complex. 
584
585 \begin{algorithm}[H]
586 \label{alg3-update}
587 %\LinesNumbered
588 \caption{A global Algorithm for the iterative function}
589
590 \eIf{$(\left|Z^{(k)}\right|<= R)$}{
591 $kernel\_update(d\_z^{k})$\;}
592 {
593 $kernel\_update\_Log(d\_z^{k})$\;
594 }
595 \end{algorithm}
596
597 The first form executes formula \ref{eq:SimplePolynome} if the modulus of the current complex is less than the a certain value called the radius i.e. ($ |z^{k}_{i}|<= R$), else the kernel executes formulas (Eq.~\ref{deflncomplex},Eq.~\ref{defexpcomplex}). The radius $R$ is evaluated as :
598
599 $$R = \exp( \log(DBL\_MAX) / (2*n) )$$ where $DBL\_MAX$ stands for the maximum representable double value.
600
601 The last kernel verifies the convergence of the roots after each update of $Z^{(k)}$, according to formula. We used the functions of the CUBLAS Library (CUDA Basic Linear Algebra Subroutines) to implement this kernel. 
602
603 The kernels terminate it computations when all the roots converge. Finally, the solution of the root finding problem is copied back from GPU global memory to CPU memory. We use the communication functions of CUDA for the memory allocation in the GPU \verb=(cudaMalloc())= and for data transfers from the CPU memory to the GPU memory \verb=(cudaMemcpyHostToDevice)=
604 or from GPU memory to CPU memory \verb=(cudaMemcpyDeviceToHost))=. 
605 %%HIER END MY REVISIONS (SIDER)
606 \section{Experimental study}
607
608 \subsection{Definition of the used polynomials }
609 We study two categories of polynomials : the sparse polynomials and the full polynomials.
610 \paragraph{A sparse polynomial}: is a polynomial for which only some coefficients are not null. We use in the following polonymial for which the roots are distributed on 2 distinct circles :
611 \begin{equation}
612         \forall \alpha_{1} \alpha_{2} \in C,\forall n_{1},n_{2} \in N^{*}; P(z)= (z^{n_{1}}-\alpha_{1})(z^{n_{2}}-\alpha_{2})
613 \end{equation}
614
615
616 \paragraph{A full polynomial} is in contrast, a polynomial for which all the coefficients are not null. the second form used to obtain a full polynomial is:
617 %%\begin{equation}
618         %%\forall \alpha_{i} \in C,\forall n_{i}\in N^{*}; P(z)= \sum^{n}_{i=1}(z^{n^{i}}.a_{i})
619 %%\end{equation}
620
621 \begin{equation}
622      {\Large \forall a_{i} \in C, i\in N;  p(x)=\sum^{n}_{i=0} a_{i}.x^{i}} 
623 \end{equation}
624 With this form, we can have until \textit{n} non zero terms whereas the sparse ones have just two non zero terms.
625
626 \subsection{The study condition} 
627 The our experiences results concern two parameters which are
628 the polynomial degree and the execution time of our program
629 to converge on the solution. The polynomial degree allows us
630 to validate that our algorithm is powerful with high degree
631 polynomials. The execution time remains the
632 element-key which justifies our work of parallelization.
633         For our tests we used a CPU Intel(R) Xeon(R) CPU
634 E5620@2.40GHz and a GPU K40 (with 6 Go of ram).
635
636
637 \subsection{Comparative study}
638 In this section, we discuss the performance Ehrlich-Aberth method  of root finding polynomials implemented on CPUs and on GPUs.
639
640 We performed a set of experiments on the sequential and the parallel algorithms, for both sparse and full polynomials and different sizes. We took into account the execution time,the  polynomial size and the number of threads per block performed by sum or each experiment on CPUs and on GPUs.
641
642 All experimental results obtained from the simulations are made in double precision data, for a convergence tolerance of the methods set to $10^{-7}$. Since we were more interested in the comparison of the performance behaviors of Ehrlich-Aberth and Durand-Kerner methods on CPUs versus on GPUs. The initialization values of the vector solution of the Ehrlich-Aberth method are given in section 2.2. 
643 \subsubsection{The execution time in seconds of Ehrlich-Aberth algorithm on CPU core vs. on a Tesla GPU}
644
645
646 \begin{figure}[H]
647 \centering
648   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/Compar_EA_algorithm_CPU_GPU}
649 \caption{The execution time in seconds of Ehrlich-Aberth algorithm on CPU core vs. on a Tesla GPU}
650 \label{fig:01}
651 \end{figure}
652
653 Figure 1 %%show a comparison of execution time between the parallel and sequential version of the Ehrlich-Aberth algorithm with sparse polynomial exceed 100000, 
654 We report the execution times of the Ehrlich-Aberth method implemented on one core of the Quad-Core Xeon E5620 CPU and those of the same methods implemented on one Nvidia Tesla K40c GPU, with sparse polynomial degrees ranging from 100,000 to 1,000,000. We can see that the methods implemented on the GPU are faster than those implemented on the CPU. This is due to the GPU ability to compute the data-parallel functions faster than its CPU counterpart. However, the execution time for the sequential implementation exceed 16,000 s for 450,000 degrees polynomials, in counterpart  the GPU implementation for the same polynomials need only 350 s, more than again, with 1,000,000 polynomials degrees GPU implementation not reach 2,300 s degrees. While CPU implementation need more than 10 hours. We can also notice that the GPU implementation are almost 47 faster then those implementation on the CPU. Furthermore, we verify that the number of iterations is the same. This reduction of time allows us to compute roots of polynomial of more important degree at the same time than with a CPU.
655  
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658 \subsubsection{Influence of the number of threads on the execution times of different polynomials (sparse and full)}
659 To optimize the performances of an algorithm on a GPU, it is necessary to maximize the use of cores GPU (maximize the number of threads executed in parallel) and to optimize the use of the various memoirs GPU. In fact, it is interesting to see the influence of the number of threads per block on the execution time of Ehrlich-Aberth algorithm. 
660 For that, we notice that the maximum number of threads per block for the Nvidia Tesla K40c GPU is 1024, so we varied the number of threads per block from 8 to 1024. We took into account the execution time for both sparse and full polynomials of size 50000 and 500000 degrees.
661
662 \begin{figure}[H]
663 \centering
664   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/influence_nb_threads}
665 \caption{Influence of the number of threads on the execution times of different polynomials (sparse and full)}
666 \label{fig:01}
667 \end{figure}
668
669 The figure 2 show that, the best execution time for both sparse and full polynomial are given when the threads number varies between 64 and 256 threads per bloc. We notice that with small polynomials the best number of threads per block is 64, Whereas, the large polynomials the best number of threads per block is 256. However,In the following experiments we specify that the number of thread by block is 256.
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671 \subsubsection{The impact of exp-log solution to compute very high degrees of  polynomial}
672
673 In this experiment we report the performance of log.exp solution describe in ~\ref{sec2} to compute very high degrees polynomials.   
674 \begin{figure}[H]
675 \centering
676   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/sparse_full_explog}
677 \caption{The impact of exp-log solution to compute very high degrees of  polynomial.}
678 \label{fig:01}
679 \end{figure}
680
681 The figure 3, show a comparison between the execution time of the Ehrlich-Aberth algorithm applying log-exp solution and the execution time of the Ehrlich-Aberth algorithm without applying log-exp solution, with full and sparse polynomials degrees. We can see that the execution time for the both algorithms are the same while the full polynomials degrees are less than 4000 and full polynomials are less than 150,000. After,we show clearly that the classical version of Ehrlich-Aberth algorithm (without applying log.exp) stop to converge and can not solving any polynomial sparse or full. In counterpart, the new version of Ehrlich-Aberth algorithm (applying log.exp solution) can solve very high and large full polynomial exceed 100,000 degrees.
682
683 in fact, when the modulus of the roots are up than \textit{R} given in ~\ref{R},this exceed the limited number in the mantissa of floating points representations and can not compute the iterative function given in ~\ref{eq:Aberth-H-GS} to obtain the root solution, who justify the divergence of the classical Ehrlich-Aberth algorithm. However, applying log.exp solution given in ~\ref{sec2} took into account the limit of floating using the iterative function in(Eq.~\ref{Log_H1},Eq.~\ref{Log_H2} and allows to solve a very large polynomials degrees . 
684
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686 %\begin{figure}[H]
687 \%centering
688   %\includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/log_exp_Sparse}
689 %\caption{The impact of exp-log solution to compute very high degrees of  polynomial.}
690 %\label{fig:01}
691 %\end{figure}
692
693 %we report the performances of the exp.log for the Ehrlich-Aberth algorithm for solving very high degree of polynomial. 
694
695  
696 \subsubsection{A comparative study between Ehrlich-Aberth algorithm and Durand-kerner algorithm}
697 In this part, we are interesting to compare the simultaneous methods, Ehrlich-Aberth and Durand-Kerner in parallel computer using GPU. We took into account the execution time, the number of iteration and the polynomial's size. for the both sparse and full polynomials.  
698
699 \begin{figure}[H]
700 \centering
701   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK}
702 \caption{The execution time of Ehrlich-Aberth versus Durand-Kerner algorithm on GPU}
703 \label{fig:01}
704 \end{figure}
705
706 This figure show the execution time of the both algorithm EA and DK with sparse polynomial degrees ranging from 1000 to 1000000. We can see that the Ehrlich-Aberth algorithm are faster than Durand-Kerner algorithm, with an average of 25 times as fast. Then, when degrees of polynomial exceed 500000 the execution time with EA is of the order 100 whereas DK passes in the order 1000. %with double precision not exceed $10^{-5}$.
707
708 \begin{figure}[H]
709 \centering
710   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK_nbr}
711 \caption{The iteration number of Ehrlich-Aberth versus Durand-Kerner algorithm}
712 \label{fig:01}
713 \end{figure}
714
715 \bibliography{mybibfile}
716
717
718 \section{Conclusion and perspective}
719
720 \end{document}