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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 the 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 the roots of a polynomial}
105 Polynomials are mathematical algebraic structures used in science and engineering to capture physical phenomena 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 zeros 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 It is often impossible 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 only exist for $n \leq 4$, solved in closed form
137 by G. Cardano in the mid-16th century. However, N. H. Abel in the early 19th
138 century proved that polynomials of degree five or more could not
139 be solved by  direct methods. Since then, mathematicians have
140 focussed on numerical (iterative) methods such as the famous
141 Newton method, the Bernoulli method of the 18th century, 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 other methods for the simultaneous
146 approximation of all the roots, starting with the Durand-Kerner (DK)
147 method:
148 %%\begin{center}
149 \begin{equation}
150 \label{DK}
151  DK: z_i^{k+1}=z_{i}^{k}-\frac{P(z_i^{k})}{\prod_{i\neq j}(z_i^{k}-z_j^{k})},   i = 1, . . . , n,
152 \end{equation}
153 %%\end{center}
154 where $z_i^k$ is the $i^{th}$ root of the polynomial $p$ at the
155 iteration $k$.
156
157
158 This formula is mentioned for the first time by
159 Weiestrass~\cite{Weierstrass03} as part of the fundamental theorem
160 of Algebra and is rediscovered by Ilieff~\cite{Ilie50},
161 Docev~\cite{Docev62}, Durand~\cite{Durand60},
162 Kerner~\cite{Kerner66}. Another method discovered by
163 Borsch-Supan~\cite{ Borch-Supan63} and also described and brought
164 in the following form by Ehrlich~\cite{Ehrlich67} and
165 Aberth~\cite{Aberth73} uses a different iteration formula given as:
166 %%\begin{center}
167 \begin{equation}
168 \label{Eq:EA}
169  EA: z_i^{k+1}=z_i^{k}-\frac{1}{{\frac {P'(z_i^{k})} {P(z_i^{k})}}-{\sum_{i\neq j}\frac{1}{(z_i^{k}-z_j^{k})}}}, i = 1, . . . , n,
170 \end{equation}
171 %%\end{center}
172 where $p'(z)$ is the polynomial derivative of $p$ evaluated in the
173 point $z$.
174
175 Aberth, Ehrlich and Farmer-Loizou~\cite{Loizou83} have proved that
176 the Ehrlich-Aberth method (EA) has a cubic order of convergence for simple roots whereas the Durand-Kerner has a quadratic order of convergence.
177
178
179 Moreover, the convergence times of iterative methods
180 drastically increases like the degrees of high polynomials. It is expected that the
181 parallelization of these algorithms will reduce the execution times.
182
183 Many authors have dealt with the parallelization of
184 simultaneous methods, i.e. that find all the zeros simultaneously. 
185 Freeman~\cite{Freeman89} implemented and compared DK, EA and another method of the fourth order proposed
186 by Farmer and Loizou~\cite{Loizou83}, on an 8-processor linear
187 chain, for polynomials of degree 8. The third method often
188 diverges, but the first two methods have speed-ups equal to 5.5. Later,
189 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90}  considered asynchronous
190 algorithms, in which each processor continues to update its
191 approximations even though the latest values of other roots
192 have not yet been received from the other processors.  In contrast,
193 synchronous algorithms   wait the computation of all roots at a given
194 iterations  before making a new one.
195 Couturier and al.~\cite{Raphaelall01} proposed two methods of parallelization for
196 a shared memory architecture and for distributed memory one. They were able to
197 compute the roots of sparse polynomials of degree 10,000 in 430 seconds with only 8
198 personal computers and 2 communications per iteration. Compared to sequential implementations
199 where it takes up to 3,300 seconds to obtain the same results, the
200 authors' work experiment show an interesting speedup.
201
202 Few works have been conducted after those works until the appearance of
203 the Compute Unified Device Architecture (CUDA)~\cite{CUDA10}, a
204 parallel computing platform and a programming model invented by
205 NVIDIA. The computing power of GPUs (Graphics Processing Unit) has exceeded that of CPUs. However, CUDA adopts a totally new computing architecture to use the
206 hardware resources provided by GPU in order to offer a stronger
207 computing ability to the massive data computing.
208
209
210 Ghidouche and al~\cite{Kahinall14} proposed an implementation of the
211 Durand-Kerner method on GPU. Their main
212 result showed that a parallel CUDA implementation is about 10 times faster than
213 the sequential implementation on a single CPU for  sparse
214 polynomials of degree 48,000. 
215
216
217 In this paper, we focus on the implementation of the Ehrlich-Aberth
218 method for high degree polynomials on GPU. We propose an adaptation of
219 the exponential logarithm in order to be able to solve sparse and full
220 polynomial of degree up to $1,000,000$. The paper is organized as
221 follows. Initially, we recall the Ehrlich-Aberth method in
222 Section~\ref{sec1}. Improvements for the Ehrlich-Aberth method are
223 proposed in Section \ref{sec2}. Related work to the implementation of
224 simultaneous methods using a parallel approach is presented in Section
225 \ref{secStateofArt}.  In Section~\ref{sec5} we propose a parallel
226 implementation of the Ehrlich-Aberth method on GPU and discuss
227 it. Section~\ref{sec6} presents and investigates our implementation
228 and experimental study results. Finally, Section~\ref{sec7} concludes
229 this paper and gives some hints for future research directions in this
230 topic.
231
232 \section{Ehrlich-Aberth method}
233 \label{sec1}
234 A cubically convergent iteration method to find zeros of
235 polynomials was proposed by O. Aberth~\cite{Aberth73}. The
236 Ehrlich-Aberth method contains 4 main steps, presented in what
237 follows.
238
239 %The Aberth method is a purely algebraic derivation. 
240 %To illustrate the derivation, we let $w_{i}(z)$ be the product of linear factors 
241
242 %\begin{equation}
243 %w_{i}(z)=\prod_{j=1,j \neq i}^{n} (z-x_{j})
244 %\end{equation}
245
246 %And let a rational function $R_{i}(z)$ be the correction term of the
247 %Weistrass method~\cite{Weierstrass03}
248
249 %\begin{equation}
250 %R_{i}(z)=\frac{p(z)}{w_{i}(z)} , i=1,2,...,n.
251 %\end{equation}
252
253 %Differentiating the rational function $R_{i}(z)$ and applying the
254 %Newton method, we have:
255
256 %\begin{equation}
257 %\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_{j}}}, i=1,2,...,n
258 %\end{equation}
259 %where R_{i}^{'}(z)is the rational function derivative of F evaluated in the point z 
260 %Substituting $x_{j}$ for $z_{j}$ we obtain the Aberth iteration method.% 
261
262
263 \subsection{Polynomials Initialization}
264 The initialization of a polynomial $p(z)$ is done by setting each of the $n$ complex coefficients $a_{i}$:
265
266 \begin{equation}
267 \label{eq:SimplePolynome}
268   p(z)=\sum{a_{i}z^{n-i}} , a_{n} \neq 0,a_{0}=1, a_{i}\subset C
269 \end{equation}
270
271
272 \subsection{Vector $Z^{(0)}$ Initialization}
273 \label{sec:vec_initialization}
274 As for any iterative method, we need to choose $n$ initial guess points $z^{0}_{i}, i = 1, . . . , n.$
275 The initial guess is very important since the number of steps needed by the iterative method to reach
276 a given approximation strongly depends on it.
277 In~\cite{Aberth73} the Ehrlich-Aberth iteration is started by selecting $n$
278 equi-spaced points on a circle of center 0 and radius r, where r is
279 an upper bound to the moduli of the zeros. Later, Bini and al.~\cite{Bini96}
280 performed this choice by selecting complex numbers along different
281 circles which relies on the result of~\cite{Ostrowski41}.
282
283 \begin{equation}
284 \label{eq:radiusR}
285 %%\begin{align}
286 \sigma_{0}=\frac{u+v}{2};u=\frac{\sum_{i=1}^{n}u_{i}}{n.max_{i=1}^{n}u_{i}};
287 v=\frac{\sum_{i=0}^{n-1}v_{i}}{n.min_{i=0}^{n-1}v_{i}};\\
288 %%\end{align}
289 \end{equation}
290 Where:
291 \begin{equation}
292 u_{i}=2.|a_{i}|^{\frac{1}{i}};
293 v_{i}=\frac{|\frac{a_{n}}{a_{i}}|^{\frac{1}{n-i}}}{2}.
294 \end{equation}
295
296 \subsection{Iterative Function}
297 %The operator used by the Aberth method is corresponding to the
298 %following equation~\ref{Eq:EA} which will enable the convergence towards
299 %polynomial solutions, provided all the roots are distinct.
300
301 Here we give a second form of the iterative function used by the Ehrlich-Aberth method: 
302
303 \begin{equation}
304 \label{Eq:Hi}
305 EA2: z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
306 {1-\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}\sum_{j=1,j\neq i}^{j=n}{\frac{1}{(z_{i}^{k}-z_{j}^{k})}}}, i=1,. . . .,n
307 \end{equation}
308 It can be noticed that this equation is equivalent to Eq.~\ref{Eq:EA},
309 but we prefer the latter one because we can use it to improve the
310 Ehrlich-Aberth method and find the roots of high degree polynomials. More
311 details are given in Section~\ref{sec2}.
312 \subsection{Convergence Condition}
313 The convergence condition determines the termination of the algorithm. It consists in stopping the iterative function  when the roots are sufficiently stable. We consider that the method converges sufficiently when:
314
315 \begin{equation}
316 \label{eq:Aberth-Conv-Cond}
317 \forall i \in [1,n];\vert\frac{z_{i}^{k}-z_{i}^{k-1}}{z_{i}^{k}}\vert<\xi
318 \end{equation}
319
320
321 \section{Improving the Ehrlich-Aberth Method for high degree polynomials with exp-log formulation}
322 \label{sec2}
323 With high degree polynomial, the Ehrlich-Aberth method implementation,
324 as well as the Durand-Kerner implementation, suffers from overflow problems. This
325 situation occurs, for instance, in the case where a polynomial,
326 having positive coefficients and a large degree, is computed at a
327 point $\xi$ where $|\xi| > 1$, where $|z|$ stands for the modolus of a complex $z$. Indeed, the limited number in the
328 mantissa of floating points representations makes the computation of $p(z)$ wrong when z
329 is large. For example $(10^{50}) +1+ (- 10^{50})$ will give the wrong result
330 of $0$ instead of $1$. Consequently, we can not compute the roots
331 for large degrees. This problem was discussed earlier in
332 ~\cite{Karimall98} for the Durand-Kerner method. The authors
333 propose to use the logarithm and the exponential of a complex in order to compute the power at a high exponent.
334
335 \begin{equation}
336 \label{deflncomplex}
337  \forall(x,y)\in R^{*2}; \ln (x+i.y)=\ln(x^{2}+y^{2})
338 2+i.\arcsin(y\sqrt{x^{2}+y^{2}})_{\left] -\pi, \pi\right[ }
339 \end{equation}
340 %%\begin{equation}
341 \begin{align}
342 \label{defexpcomplex}
343  \forall(x,y)\in R^{*2}; \exp(x+i.y) & = \exp(x).\exp(i.y)\\
344                                      & =\exp(x).\cos(y)+i.\exp(x).\sin(y)\label{defexpcomplex1}
345 \end{align}
346 %%\end{equation}
347
348 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
349 manipulate lower absolute values and the roots for large polynomial degrees can be looked for successfully~\cite{Karimall98}.
350
351 Applying this solution for the iteration function Eq.~\ref{Eq:Hi} of
352 Ehrlich-Aberth method, we obtain the following iteration function with exponential and logarithm:
353 %%$$ \exp \bigl(  \ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'}))- \ln(1- \exp(\ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'})+\ln\sum_{i\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}})$$
354 \begin{equation}
355 \label{Log_H2}
356 EA.EL: z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\exp \left(\ln \left(
357 p(z_{i}^{k})\right)-\ln\left(p'(z^{k}_{i})\right)- \ln\left(1-Q(z^{k}_{i})\right)\right),
358 \end{equation}
359
360 where:
361
362 \begin{equation}
363 \label{Log_H1}
364 Q(z^{k}_{i})=\exp\left( \ln (p(z^{k}_{i}))-\ln(p'(z^{k}_{i}))+\ln \left(
365 \sum_{i\neq j}^{n}\frac{1}{z^{k}_{i}-z^{k}_{j}}\right)\right)i=1,...,n,
366 \end{equation}
367
368 This solution is applied when the root except the circle unit, represented by the radius $R$ evaluated in C language as :
369 \begin{equation}
370 \label{R.EL}
371 R = exp(log(DBL\_MAX)/(2*n) );
372 \end{equation}
373
374
375 %\begin{equation}
376
377 %R = \exp( \log(DBL\_MAX) / (2*n) )
378 %\end{equation}
379  where \verb=DBL_MAX= stands for the maximum representable \verb=double= value.
380
381 \section{Implementation of simultaneous methods in a parallel computer}
382 \label{secStateofArt}   
383 The main problem of simultaneous methods is that the 
384 time needed for convergence is increased when we increase
385 the degree of the polynomial. The parallelization of these
386 algorithms is expected to improve the convergence time.
387 Authors usually adopt one of the two following approaches to parallelize root
388 finding algorithms. The first approach aims at reducing the total number of
389 iterations as in Miranker
390 ~\cite{Mirankar68,Mirankar71}, Schedler~\cite{Schedler72} and
391 Winograd~\cite{Winogard72}. The second approach aims at reducing the
392 computation time per iteration, as reported
393 in~\cite{Benall68,Jana06,Janall99,Riceall06}. 
394
395 There are many schemes for the simultaneous approximation of all roots of a given
396 polynomial. Several works on different methods and issues of root
397 finding have been reported in~\cite{Azad07, Gemignani07, Kalantari08,
398   Zhancall08, Zhuall08}. However, the Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth methods are the most practical choices among
399 them~\cite{Bini04}. These two methods have been extensively
400 studied for parallelization due to their intrinsic parallelism, i.e. the
401 computations involved in both methods have some inherent
402 parallelism that can be suitably exploited by SIMD machines.
403 Moreover, they have fast a rate of convergence (quadratic for the
404 Durand-Kerner and cubic for the Ehrlich-Aberth). Various parallel
405 algorithms reported for these methods can be found
406 in~\cite{Cosnard90, Freeman89,Freemanall90,Jana99,Janall99}.
407 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90} presented two parallel
408 algorithms on a local memory MIMD computer with the compute-to
409 communication time ratio O(n). However, their algorithms require
410 each processor to communicate its current approximation to all
411 other processors at the end of each iteration (synchronous). Therefore they
412 cause a high degree of memory conflict. Recently the author
413 in~\cite{Mirankar71} proposed two versions of parallel algorithm
414 for the Durand-Kerner method, and the Ehrlich-Aberth method on a model of
415 Optoelectronic Transpose Interconnection System (OTIS). The
416 algorithms are mapped on an OTIS-2D torus using $N$ processors. This
417 solution needs $N$ processors to compute $N$ roots, which is not
418 practical for solving large degree polynomials.
419
420 %Until very recently, the literature did not mention implementations
421 %able to compute the roots of large degree polynomials (higher then
422 %1000) and within small or at least tractable times.
423
424 Finding polynomial roots rapidly and accurately is the main objective of our work. 
425 With the advent of CUDA (Compute Unified Device
426 Architecture), finding the roots of polynomials receives a new attention because of the new possibilities to solve higher degree polynomials in less time. 
427 In~\cite{Kahinall14} we already proposed the first implementation
428 of a root finding method on GPUs, that of the Durand-Kerner method. The main result showed
429 that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as the
430 sequential implementation on a single CPU for high degree
431 polynomials of 48,000.
432 %In this paper we present a parallel implementation of Ehrlich-Aberth
433 %method on GPUs for sparse and full polynomials with high degree (up
434 %to $1,000,000$).
435
436
437 %% \section {A CUDA parallel Ehrlich-Aberth method}
438 %% In the following, we describe the parallel implementation of Ehrlich-Aberth method on GPU 
439 %% for solving high degree polynomials (up to $1,000,000$). First, the hardware and software of the GPUs are presented. Then, the CUDA parallel Ehrlich-Aberth method is presented.
440
441 %% \subsection{Background on the GPU architecture}
442 %% A GPU is viewed as an accelerator for the data-parallel and
443 %% intensive arithmetic computations. It draws its computing power
444 %% from the parallel nature of its hardware and software
445 %% architectures. A GPU is composed of hundreds of Streaming
446 %% Processors (SPs) organized in several blocks called Streaming
447 %% Multiprocessors (SMs). It also has a memory hierarchy. It has a
448 %% private read-write local memory per SP, fast shared memory and
449 %% read-only constant and texture caches per SM and a read-write
450 %% global memory shared by all its SPs~\cite{NVIDIA10}.
451
452 %% On a CPU equipped with a GPU, all the data-parallel and intensive
453 %% functions of an application running on the CPU are off-loaded onto
454 %% the GPU in order to accelerate their computations. A similar
455 %% data-parallel function is executed on a GPU as a kernel by
456 %% thousands or even millions of parallel threads, grouped together
457 %% as a grid of thread blocks. Therefore, each SM of the GPU executes
458 %% one or more thread blocks in SIMD fashion (Single  Instruction,
459 %% Multiple Data) and in turn each SP of a GPU SM runs one or more
460 %% threads within a block in SIMT fashion (Single Instruction,
461 %% Multiple threads). Indeed at any given clock cycle, the threads
462 %% execute the same instruction of a kernel, but each of them
463 %% operates on different data.
464 %%  GPUs only work on data filled in their
465 %% global memories and the final results of their kernel executions
466 %% must be communicated to their CPUs. Hence, the data must be
467 %% transferred in and out of the GPU. However, the speed of memory
468 %% copy between the GPU and the CPU is slower than the memory
469 %% bandwidths of the GPU memories and, thus, it dramatically affects
470 %% the performances of GPU computations. Accordingly, it is necessary
471 %% to limit as much as possible, data transfers between the GPU and its CPU during the
472 %% computations.
473 %% \subsection{Background on the CUDA Programming Model}
474
475 %% The CUDA programming model is similar in style to a single program
476 %% multiple-data (SPMD) software model. The GPU is viewed as a
477 %% coprocessor that executes data-parallel kernel functions. CUDA
478 %% provides three key abstractions, a hierarchy of thread groups,
479 %% shared memories, and barrier synchronization. Threads have a three
480 %% level hierarchy. A grid is a set of thread blocks that execute a
481 %% kernel function. Each grid consists of blocks of threads. Each
482 %% block is composed of hundreds of threads. Threads within one block
483 %% can share data using shared memory and can be synchronized at a
484 %% barrier. All threads within a block are executed concurrently on a
485 %% multithreaded architecture.The programmer specifies the number of
486 %% threads per block, and the number of blocks per grid. A thread in
487 %% the CUDA programming language is much lighter weight than a thread
488 %% in traditional operating systems. A thread in CUDA typically
489 %% processes one data element at a time. The CUDA programming model
490 %% has two shared read-write memory spaces, the shared memory space
491 %% and the global memory space. The shared memory is local to a block
492 %% and the global memory space is accessible by all blocks. CUDA also
493 %% provides two read-only memory spaces, the constant space and the
494 %% texture space, which reside in external DRAM, and are accessed via
495 %% read-only caches.
496
497 \section{ Implementation of the Ehrlich-Aberth method on GPU}
498 \label{sec5}
499 %%\subsection{A CUDA implementation of the Aberth's method }
500 %%\subsection{A GPU implementation of the Aberth's method }
501
502
503
504 %% \subsection{Sequential Ehrlich-Aberth algorithm}
505 %% The main steps of Ehrlich-Aberth method are shown in Algorithm.~\ref{alg1-seq} :
506 %% %\LinesNumbered  
507 %% \begin{algorithm}[H]
508 %% \label{alg1-seq}
509
510 %% \caption{A sequential algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
511
512 %% \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (error tolerance
513 %%   threshold), $P$ (Polynomial to solve),$Pu$ (the derivative of P) $\Delta z_{max}$ (maximum value
514 %%   of stop condition), k (number of iteration), n (Polynomial's degrees)}
515 %% \KwOut {$Z$ (The solution root's vector), $ZPrec$ (the previous solution root's vector)}
516
517 %% \BlankLine
518
519 %% Initialization of $P$\;
520 %% Initialization of $Pu$\;
521 %% Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
522 %% $\Delta z_{max}=0$\;
523 %%  k=0\;
524
525 %% \While {$\Delta z_{max} > \varepsilon$}{
526 %%  Let $\Delta z_{max}=0$\;
527 %% \For{$j \gets 0 $ \KwTo $n$}{
528 %% $ZPrec\left[j\right]=Z\left[j\right]$;// save Z at the iteration k.\
529
530 %% $Z\left[j\right]=H\left(j, Z, P, Pu\right)$;//update Z with the iterative function.\
531 %% }
532 %% k=k+1\;
533
534 %% \For{$i \gets 0 $ \KwTo $n-1$}{
535 %% $c= testConverge(\Delta z_{max},ZPrec\left[j\right],Z\left[j\right])$\;
536 %% \If{$c > \Delta z_{max}$ }{
537 %% $\Delta z_{max}$=c\;}
538 %% }
539
540 %% }
541 %% \end{algorithm}
542
543 %% ~\\ 
544 %% 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.
545
546 \subsection{Parallel implementation with CUDA }
547
548 In order to implement the Ehrlich-Aberth method in CUDA, it is
549 possible to use the Jacobi scheme or the Gauss-Seidel one.  With the
550 Jacobi iteration, at iteration $k+1$ we need all the previous values
551 $z^{k}_{i}$ to compute the new values $z^{k+1}_{i}$, that is :
552
553 \begin{equation}
554 EAJ: z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
555 {1-\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}\sum_{j=1,j\neq i}^{j=n}{\frac{1}{(z_{i}^{k}-z_{j}^{k})}}}, i=1,. . . .,n.
556 \end{equation}
557
558 With the Gauss-Seidel iteration, we have:
559 %\begin{equation}
560 %\label{eq:Aberth-H-GS}
561 %EAGS: z^{k+1}_{i}=\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.
562 %\end{equation}
563
564 \begin{equation}
565 \label{eq:Aberth-H-GS}
566 EAGS: z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
567 {1-\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}(\sum^{i-1}_{j=1}\frac{1}{z^{k}_{i}-z^{k+1}_{j}}+\sum_{j=i+1}^{j=n}{\frac{1}{(z_{i}^{k}-z_{j}^{k})}})}, i=1,. . . .,n
568 \end{equation}
569
570 Using Eq.~\ref{eq:Aberth-H-GS} to update the vector solution
571 \textit{Z}, we expect the Gauss-Seidel iteration to converge more
572 quickly because, just as any Jacobi algorithm (for solving linear
573 systems of equations), it uses the freshest computed roots $z^{k+1}_{i}$.
574
575 %The $4^{th}$ step of the algorithm checks the convergence condition using Eq.~\ref{eq:Aberth-Conv-Cond}.
576 %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.
577
578
579
580 %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.
581 %In the GPU, the scheduler assigns the execution of this loop to a
582 %group of threads organised as a grid of blocks with block containing a
583 %number of threads. All threads within a block are executed
584 %concurrently in parallel. The instructions run on the GPU are grouped
585 %in special function called kernels. With CUDA, a programmer must
586 %describe the kernel execution context:  the size of the Grid, the number of blocks and the number of threads per block.
587
588 %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 \verb=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. 
589
590 Algorithm~\ref{alg2-cuda} shows a sketch of the Ehrlich-Aberth method using CUDA.
591
592 \begin{enumerate}
593 \begin{algorithm}[H]
594 \label{alg2-cuda}
595 %\LinesNumbered
596 \caption{CUDA Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
597
598 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (Error tolerance
599   threshold), P (Polynomial to solve), Pu (Derivative of P), $n$ (Polynomial degrees), $\Delta z_{max}$ (Maximum value of stop condition)}
600
601 \KwOut {$Z$ (Solution root's vector), $ZPrec$ (Previous solution root's vector)}
602
603 \BlankLine
604
605 \item Initialization of the of P\;
606 \item Initialization of the of Pu\;
607 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
608 \item Allocate and copy initial data to the GPU global memory\;
609 \item k=0\;
610 \While {$\Delta z_{max} > \epsilon$}{
611 \item Let $\Delta z_{max}=0$\;
612 \item $ kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
613 \item  k=k+1\;
614 \item $ kernel\_update(Z,P,Pu)$\;
615 \item $kernel\_testConverge(\Delta z_{max},Z,ZPrec)$\;
616
617 }
618 \item Copy results from GPU memory to CPU memory\;
619 \end{algorithm}
620 \end{enumerate}
621 ~\\ 
622
623 After the initialization step, all data of the root finding problem
624 must be copied from the CPU memory to the GPU global memory. Next, all
625 the data-parallel arithmetic operations inside the main loop
626 \verb=(while(...))= are executed as kernels by the GPU. The
627 first kernel named \textit{save} in line 7 of
628 Algorithm~\ref{alg2-cuda} consists in saving the vector of
629 polynomial roots found at the previous time-step in GPU memory, in
630 order to check the convergence of the roots after each iteration (line
631 10, Algorithm~\ref{alg2-cuda}).
632
633 The second kernel executes the iterative function and updates
634 $Z$, according to Algorithm~\ref{alg3-update}. We notice that the
635 update kernel is called in two forms, according to the value
636 \emph{R} which determines the radius beyond which we apply the
637 exponential logarithm algorithm. 
638
639 \begin{algorithm}[H]
640 \label{alg3-update}
641 %\LinesNumbered
642 \caption{Kernel update}
643
644 \eIf{$(\left|Z\right|<= R)$}{
645 $kernel\_update(Z,P,Pu)$\;}
646 {
647 $kernel\_update\_ExpoLog(Z,P,Pu)$\;
648 }
649 \end{algorithm}
650
651 If the modulus
652 of the current complex is less than a given value called the
653 radius i.e. ($ |z^{k}_{i}|<= R$), then the classical form of the EA
654 function Eq.~\ref{Eq:Hi} is executed else the EA.EL
655 function Eq.~\ref{Log_H2} is executed.
656 (with Eq.~\ref{deflncomplex}, Eq.~\ref{defexpcomplex}). The radius $R$ is evaluated as in Eq.~\ref{R.EL}.
657
658 The last kernel checks the convergence of the roots after each update
659 of $Z^{k}$, according to formula Eq.~\ref{eq:Aberth-Conv-Cond}. We used the functions of the CUBLAS Library (CUDA Basic Linear Algebra Subroutines) to implement this kernel. 
660
661 The kernel terminates its computations when all the roots have
662 converged. It should be noticed that, as blocks of threads are
663 scheduled automatically by the GPU, we have absolutely no control on
664 the order of the blocks. Consequently, our algorithm is executed more
665 or less with the asynchronous iteration model, where blocks of roots
666 are updated in a non deterministic way. As the Durand-Kerner method
667 has been proved to converge with asynchronous iterations, we think it
668 is similar with the Ehrlich-Aberth method, but we did not try to prove
669 this in that paper. Another consequence of that, is that several
670 executions of our algorithm with the same polynomial do not
671 necessarily give the same result (but roots have the same accuracy)
672 and the same number of iterations (even if the variation is not very
673 significant).
674
675
676
677
678
679 %%HIER END MY REVISIONS (SIDER)
680 \section{Experimental study}
681 \label{sec6}
682 %\subsection{Definition of the used polynomials }
683 We study two categories of polynomials: sparse polynomials and the full polynomials.\\
684 {\it A sparse polynomial} is a polynomial for which only some
685 coefficients are not null. In this paper, we consider sparse polynomials for which the roots are distributed on 2 distinct circles:
686 \begin{equation}
687         \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})
688 \end{equation}\noindent
689 {\it A full polynomial} is, in contrast, a polynomial for which
690 all the coefficients are not null. A full polynomial is defined by:
691 %%\begin{equation}
692         %%\forall \alpha_{i} \in C,\forall n_{i}\in N^{*}; P(z)= \sum^{n}_{i=1}(z^{n^{i}}.a_{i})
693 %%\end{equation}
694
695 \begin{equation}
696      {\Large \forall a_{i} \in C, i\in N;  p(x)=\sum^{n}_{i=0} a_{i}.x^{i}} 
697 \end{equation}
698 %With this form, we can have until \textit{n} non zero terms whereas the sparse ones have just two non zero terms.
699
700 %\subsection{The study condition} 
701 %Two parameters are studied are
702 %the polynomial degree and the execution time of our program
703 %to converge on the solution. The polynomial degree allows us
704 %to validate that our algorithm is powerful with high degree
705 %polynomials. The execution time remains the
706 %element-key which justifies our work of parallelization.
707 For our tests, a CPU Intel(R) Xeon(R) CPU
708 E5620@2.40GHz and a GPU K40 (with 6 Go of ram) are used. 
709
710
711 %\subsection{Comparative study}
712 %First, performances of the Ehrlich-Aberth method  of root finding polynomials
713 %implemented on CPUs and on GPUs are studied.
714
715 We performed a set of experiments on the sequential and the parallel algorithms, for both sparse and full polynomials of different sizes. We took into account the execution times, the  polynomial size and the number of threads per block performed by sum or each experiment on CPU and on GPU.
716
717 All experimental results obtained from the simulations are made in
718 double precision data, the convergence threshold of the methods is set
719 to $10^{-7}$.
720 %Since we were more interested in the comparison of the
721 %performance behaviors of Ehrlich-Aberth and Durand-Kerner methods on
722 %CPUs versus on GPUs.
723 The initialization values of the vector solution
724 of the methods are given in Section~\ref{sec:vec_initialization}.
725
726 \subsection{Comparison of execution times of the Ehrlich-Aberth method
727   on a CPU with OpenMP (1 core and 4 cores) vs. on a Tesla GPU}
728
729 \begin{figure}[htbp]
730 \centering
731   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/openMP-GPU}
732 \caption{Comparison of execution times  of the Ehrlich-Aberth method
733   on a CPU with OpenMP (1 core, 4 cores) and on a Tesla GPU}
734 \label{fig:01}
735 \end{figure}
736 %%Figure 1 %%show a comparison of execution time between the parallel
737 %%and sequential version of the Ehrlich-Aberth algorithm with sparse
738 %%polynomial exceed 100000,
739
740 In Figure~\ref{fig:01}, we report the execution times of the
741 Ehrlich-Aberth method on one core of a Quad-Core Xeon E5620 CPU, on
742 four cores on the same machine with \textit{OpenMP} and on a Nvidia
743 Tesla K40 GPU.  We chose different sparse polynomials with degrees
744 ranging from 100,000 to 1,000,000. We can see that the implementation
745 on the GPU is faster than those implemented on the CPU.
746 However, the execution time for the
747 CPU (4 cores) implementation exceed 5,000s for 250,000 degrees
748 polynomials. On the other hand, the GPU implementation for the same
749 polynomials do not take more 100s. With the GPU
750 we can solve high degree polynomials very quickly up to degree 1,000,000. We can also notice that the GPU implementation are
751  almost 40 times faster then the implementation on the CPU (4 cores).
752
753
754  
755
756 %This reduction of time allows us to compute roots of polynomial of more important degree at the same time than with a CPU.
757  
758  %We notice that the convergence precision is a round $10^{-7}$ for the both implementation on CPU and GPU. Consequently, we can conclude that Ehrlich-Aberth on GPU are faster and accurately then CPU implementation.
759
760 \subsection{Influence of the number of threads on the execution times of different polynomials (sparse and full)}
761 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). In fact, it is interesting to see the influence of the number of threads per block on the execution time of Ehrlich-Aberth algorithm. 
762 For that, we noticed that the maximum number of threads per block for
763 the Nvidia Tesla K40 GPU is 1,024, so we varied the number of threads
764 per block from 8 to 1,024. We took into account the execution time for
765 10 different sparse and full polynomials of degree 50,000 and of degree 500,000.
766
767 \begin{figure}[htbp]
768 \centering
769   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/influence_nb_threads}
770 \caption{Influence of the number of threads on the execution times of different polynomials (sparse and full)}
771 \label{fig:02}
772 \end{figure}
773
774 Figure~\ref{fig:02} shows that, the best execution time for both
775 sparse and full polynomial are given when the threads number varies
776 between 64 and 256 threads per block. We notice that with small
777 polynomials the best number of threads per block is 64, whereas for large polynomials the best number of threads per block is
778 256. However, in the following experiments we specify that the number
779 of threads per block is 256.
780
781
782 \subsection{Influence of exp-log solution to compute high degree polynomials}
783
784 In this experiment we report the performance of the exp-log solution described in Section~\ref{sec2} to compute high degree polynomials.   
785 \begin{figure}[htbp]
786 \centering
787   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/sparse_full_explog}
788 \caption{The impact of exp-log solution to compute  high degree  polynomials}
789 \label{fig:03}
790 \end{figure}
791
792
793 Figure~\ref{fig:03} shows a comparison between the execution time of
794 the Ehrlich-Aberth method using the exp-log solution and the
795 execution time of the Ehrlich-Aberth method without this solution,
796 with full and sparse polynomials degrees. We can see that the
797 execution times for both algorithms are the same with full polynomials
798 degree inferior to 4,000 and sparse polynomials inferior to 150,000. We
799 also clearly show that the classical version (without exp-log) of
800 Ehrlich-Aberth algorithm does not converge after these degrees with
801 sparse and full polynomials. On the contrary, the new version of
802 the Ehrlich-Aberth algorithm with the exp-log solution can solve
803 high degree polynomials.
804
805 %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 exp-log 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 . 
806
807
808
809
810 \subsection{Comparison of the Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth methods}
811
812 In this part, we  compare the Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth
813 methods on GPU. We took into account the execution times, the number of iterations and the polynomials size for the both sparse and full polynomials.  
814
815 \begin{figure}[htbp]
816 \centering
817   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK}
818 \caption{Execution times of the  Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth methods on GPU}
819 \label{fig:04}
820 \end{figure}
821
822 Figure~\ref{fig:04} shows the execution times of both methods with
823 sparse polynomial degrees ranging from 1,000 to 1,000,000. We can see
824 that the Ehrlich-Aberth algorithm is faster than Durand-Kerner
825 algorithm, with an average of 25 times faster. Then, when degrees of
826 polynomial exceed 500,000 the execution times with DK are very long.
827
828 %with double precision not exceed $10^{-5}$.
829
830 \begin{figure}[htbp]
831 \centering
832   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK_nbr}
833 \caption{The number of iterations to converge for the Ehrlich-Aberth
834   and the Durand-Kerner methods}
835 \label{fig:05}
836 \end{figure}
837
838 Figure~\ref{fig:05} show the evaluation of the number of iteration according
839 to degree of polynomial from both EA and DK algorithms, we can see
840 that the iteration number of DK is of order 100 while EA is of order
841 10. Indeed the computing of the derivative of P (the polynomial to
842 resolve) in the iterative function (Eq.~\ref{Eq:Hi}) executed by EA
843 allows the algorithm to converge more quickly. In counterpart, the
844 DK operator (Eq.~\ref{DK}) needs low operation, consequently low
845 execution time per iteration, but it needs more iterations to converge.
846
847
848  \section{Conclusion and perspectives}
849 \label{sec7}
850 In this paper we have presented the parallel implementation
851 Ehrlich-Aberth method on GPU for the problem of finding roots
852 polynomial. Moreover, we have improved the classical Ehrlich-Aberth
853 method which suffers from overflow problems, the exp-log solution
854 applied to the iterative function allows to solve high degree
855 polynomials.
856
857 We have performed many experiments with the Ehrlich-Aberth method in
858 GPU. These experiments highlight that this method is very efficient in
859 GPU compared to all the other implementations. The improvement with
860 the exponential logarithm solution allows us to solve sparse and full
861 high degree polynomials up to 1,000,000 degree. Hence, it may be
862 possible to consider to use polynomial root finding methods in other
863 numerical applications on GPU.
864
865
866 In future works, we plan to investigate the possibility of using
867 several multiple GPUs simultaneously, either with multi-GPU machine or
868 with cluster of GPUs. It may also be interesting to study the
869 implementation of other root finding polynomial methods on GPU.
870
871
872
873 \bibliography{mybibfile}
874
875 \end{document}