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64 \begin{document}
65
66 \begin{frontmatter}
67
68 \title{Efficient high degree polynomial root finding using GPU}
69
70 %% Group authors per affiliation:
71 %\author{Elsevier\fnref{myfootnote}}
72 %\address{Radarweg 29, Amsterdam}
73 %\fntext[myfootnote]{Since 1880.}
74
75 %% or include affiliations in footnotes:
76 \author[mymainaddress]{Kahina Ghidouche}
77 %%\ead[url]{kahina.ghidouche@univ-bejaia.dz}
78 \cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
79 \ead{kahina.ghidouche@univ-bejaia.dz}
80
81 \author[mysecondaryaddress]{Raphaël Couturier\corref{mycorrespondingauthor}}
82 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
83 \ead{raphael.couturier@univ-fcomte.fr}
84
85 \author[mymainaddress]{Abderrahmane Sider}
86 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
87 \ead{ar.sider@univ-bejaia.dz}
88
89 \address[mymainaddress]{Laboratoire LIMED, Faculté des sciences
90   exactes, Université de Bejaia, 06000, Algeria}
91 \address[mysecondaryaddress]{FEMTO-ST Institute, University of
92   Bourgogne Franche-Comte, France }
93
94 \begin{abstract}
95 Polynomials are mathematical algebraic structures that play a great
96 role in science and engineering. Finding the roots of high degree
97 polynomials is computationally demanding. In this paper, we present
98 the results of a parallel implementation of the Ehrlich-Aberth
99 algorithm for the root finding problem for high degree polynomials on
100 GPU architectures. The main result of this
101 work is to be able to solve high degree polynomials (up
102 to 1,000,000)  efficiently. We also compare the results with a
103 sequential implementation and the Durand-Kerner method on full and
104 sparse polynomials.
105 \end{abstract}
106
107 \begin{keyword}
108 Polynomial root finding, Iterative methods, Ehrlich-Aberth, Durand-Kerner, GPU
109 \end{keyword}
110
111 \end{frontmatter}
112
113 \linenumbers
114
115 \section{The problem of finding the roots of a polynomial}
116 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 :
117 %%\begin{center}
118 \begin{equation}
119      {\Large p(x)=\sum_{i=0}^{n}{a_{i}x^{i}}}.
120 \end{equation}
121 %%\end{center}
122
123 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 :
124 \begin{equation}
125      {\Large p(x)=a_{n}\prod_{i=1}^{n}(x-\alpha_{i}), a_{0} a_{n}\neq 0}.
126 \end{equation}
127
128 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
129 vector $x$ such that :
130 \begin{center}
131 $x=g(x)$
132 \end{center}
133 where $g : C^{n}\longrightarrow C^{n}$. Usually, we can easily
134 rewrite this fixed-point problem as a root-finding problem by
135 setting $f(x) = x-g(x)$ and likewise we can recast the
136 root-finding problem into a fixed-point problem by setting :
137 \begin{center}
138 $g(x)= f(x)-x$.
139 \end{center}
140
141 It is often impossible to solve such nonlinear equation
142 root-finding problems analytically. When this occurs, we turn to
143 numerical methods to approximate the solution. 
144 Generally speaking, algorithms for solving problems can be divided into
145 two main groups: direct methods and iterative methods.
146
147 Direct methods only exist for $n \leq 4$, solved in closed form
148 by G. Cardano in the mid-16th century. However, N. H. Abel in the early 19th
149 century proved that polynomials of degree five or more could not
150 be solved by  direct methods. Since then, mathematicians have
151 focussed on numerical (iterative) methods such as the famous
152 Newton method, the Bernoulli method of the 18th century, and the Graeffe method.
153
154 Later on, with the advent of electronic computers, other methods have
155 been developed such as the Jenkins-Traub method, the Larkin method,
156 the Muller method, and several other methods for the simultaneous
157 approximation of all the roots, starting with the Durand-Kerner (DK)
158 method:
159 %%\begin{center}
160 \begin{equation}
161 \label{DK}
162  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,
163 \end{equation}
164 %%\end{center}
165 where $z_i^k$ is the $i^{th}$ root of the polynomial $p$ at the
166 iteration $k$.
167
168
169 This formula is mentioned for the first time by
170 Weiestrass~\cite{Weierstrass03} as part of the fundamental theorem
171 of Algebra and is rediscovered by Ilieff~\cite{Ilie50},
172 Docev~\cite{Docev62}, Durand~\cite{Durand60},
173 Kerner~\cite{Kerner66}. Another method discovered by
174 Borsch-Supan~\cite{ Borch-Supan63} and also described and brought
175 in the following form by Ehrlich~\cite{Ehrlich67} and
176 Aberth~\cite{Aberth73} uses a different iteration formula given as:
177 %%\begin{center}
178 \begin{equation}
179 \label{Eq:EA}
180  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,
181 \end{equation}
182 %%\end{center}
183 where $p'(z)$ is the polynomial derivative of $p$ evaluated in the
184 point $z$.
185
186 Aberth, Ehrlich and Farmer-Loizou~\cite{Loizou83} have proved that
187 the Ehrlich-Aberth method (EA) has a cubic order of convergence for simple roots whereas the Durand-Kerner has a quadratic order of convergence.
188
189
190 Moreover, the convergence times of iterative methods
191 drastically increases like the degrees of high polynomials. It is expected that the
192 parallelization of these algorithms will reduce the execution times.
193
194 Many authors have dealt with the parallelization of
195 simultaneous methods, i.e. that find all the zeros simultaneously. 
196 Freeman~\cite{Freeman89} implemented and compared DK, EA and another method of the fourth order proposed
197 by Farmer and Loizou~\cite{Loizou83}, on an 8-processor linear
198 chain, for polynomials of degree 8. The third method often
199 diverges, but the first two methods have speed-ups equal to 5.5. Later,
200 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90}  considered asynchronous
201 algorithms, in which each processor continues to update its
202 approximations even though the latest values of other roots
203 have not yet been received from the other processors.  In contrast,
204 synchronous algorithms   wait the computation of all roots at a given
205 iterations  before making a new one.
206 Couturier and al.~\cite{Raphaelall01} proposed two methods of parallelization for
207 a shared memory architecture and for distributed memory one. They were able to
208 compute the roots of sparse polynomials of degree 10,000 in 430 seconds with only 8
209 personal computers and 2 communications per iteration. Compared to sequential implementations
210 where it takes up to 3,300 seconds to obtain the same results, the
211 authors' work experiment show an interesting speedup.
212
213 Few works have been conducted after those works until the appearance of
214 the Compute Unified Device Architecture (CUDA)~\cite{CUDA10}, a
215 parallel computing platform and a programming model invented by
216 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
217 hardware resources provided by GPU in order to offer a stronger
218 computing ability to the massive data computing.
219
220
221 Ghidouche and al~\cite{Kahinall14} proposed an implementation of the
222 Durand-Kerner method on GPU. Their main
223 result showed that a parallel CUDA implementation is about 10 times faster than
224 the sequential implementation on a single CPU for  sparse
225 polynomials of degree 48,000. 
226
227
228 In this paper, we focus on the implementation of the Ehrlich-Aberth
229 method for high degree polynomials on GPU. We propose an adaptation of
230 the exponential logarithm in order to be able to solve sparse and full
231 polynomial of degree up to $1,000,000$. The paper is organized as
232 follows. Initially, we recall the Ehrlich-Aberth method in
233 Section~\ref{sec1}. Improvements for the Ehrlich-Aberth method are
234 proposed in Section \ref{sec2}. Related work to the implementation of
235 simultaneous methods using a parallel approach is presented in Section
236 \ref{secStateofArt}.  In Section~\ref{sec5} we propose a parallel
237 implementation of the Ehrlich-Aberth method on GPU and discuss
238 it. Section~\ref{sec6} presents and investigates our implementation
239 and experimental study results. Finally, Section~\ref{sec7} concludes
240 this paper and gives some hints for future research directions in this
241 topic.
242
243 \section{Ehrlich-Aberth method}
244 \label{sec1}
245 A cubically convergent iteration method to find zeros of
246 polynomials was proposed by O. Aberth~\cite{Aberth73}. The
247 Ehrlich-Aberth method contains 4 main steps, presented in what
248 follows.
249
250 %The Aberth method is a purely algebraic derivation. 
251 %To illustrate the derivation, we let $w_{i}(z)$ be the product of linear factors 
252
253 %\begin{equation}
254 %w_{i}(z)=\prod_{j=1,j \neq i}^{n} (z-x_{j})
255 %\end{equation}
256
257 %And let a rational function $R_{i}(z)$ be the correction term of the
258 %Weistrass method~\cite{Weierstrass03}
259
260 %\begin{equation}
261 %R_{i}(z)=\frac{p(z)}{w_{i}(z)} , i=1,2,...,n.
262 %\end{equation}
263
264 %Differentiating the rational function $R_{i}(z)$ and applying the
265 %Newton method, we have:
266
267 %\begin{equation}
268 %\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
269 %\end{equation}
270 %where R_{i}^{'}(z)is the rational function derivative of F evaluated in the point z 
271 %Substituting $x_{j}$ for $z_{j}$ we obtain the Aberth iteration method.% 
272
273
274 \subsection{Polynomials Initialization}
275 The initialization of a polynomial $p(z)$ is done by setting each of the $n$ complex coefficients $a_{i}$:
276
277 \begin{equation}
278 \label{eq:SimplePolynome}
279   p(z)=\sum{a_{i}z^{n-i}} , a_{n} \neq 0,a_{0}=1, a_{i}\subset C
280 \end{equation}
281
282
283 \subsection{Vector $Z^{(0)}$ Initialization}
284 \label{sec:vec_initialization}
285 As for any iterative method, we need to choose $n$ initial guess points $z^{0}_{i}, i = 1, . . . , n.$
286 The initial guess is very important since the number of steps needed by the iterative method to reach
287 a given approximation strongly depends on it.
288 In~\cite{Aberth73} the Ehrlich-Aberth iteration is started by selecting $n$
289 equi-spaced points on a circle of center 0 and radius r, where r is
290 an upper bound to the moduli of the zeros. Later, Bini and al.~\cite{Bini96}
291 performed this choice by selecting complex numbers along different
292 circles which relies on the result of~\cite{Ostrowski41}.
293
294 \begin{equation}
295 \label{eq:radiusR}
296 %%\begin{align}
297 \sigma_{0}=\frac{u+v}{2};u=\frac{\sum_{i=1}^{n}u_{i}}{n.max_{i=1}^{n}u_{i}};
298 v=\frac{\sum_{i=0}^{n-1}v_{i}}{n.min_{i=0}^{n-1}v_{i}};\\
299 %%\end{align}
300 \end{equation}
301 Where:
302 \begin{equation}
303 u_{i}=2.|a_{i}|^{\frac{1}{i}};
304 v_{i}=\frac{|\frac{a_{n}}{a_{i}}|^{\frac{1}{n-i}}}{2}.
305 \end{equation}
306
307 \subsection{Iterative Function}
308 %The operator used by the Aberth method is corresponding to the
309 %following equation~\ref{Eq:EA} which will enable the convergence towards
310 %polynomial solutions, provided all the roots are distinct.
311
312 Here we give a second form of the iterative function used by the Ehrlich-Aberth method: 
313
314 \begin{equation}
315 \label{Eq:Hi}
316 EA2: z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
317 {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
318 \end{equation}
319 It can be noticed that this equation is equivalent to Eq.~\ref{Eq:EA},
320 but we prefer the latter one because we can use it to improve the
321 Ehrlich-Aberth method and find the roots of high degree polynomials. More
322 details are given in Section~\ref{sec2}.
323 \subsection{Convergence Condition}
324 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:
325
326 \begin{equation}
327 \label{eq:Aberth-Conv-Cond}
328 \forall i \in [1,n];\vert\frac{z_{i}^{k}-z_{i}^{k-1}}{z_{i}^{k}}\vert<\xi
329 \end{equation}
330
331
332 \section{Improving the Ehrlich-Aberth Method for high degree polynomials with exp-log formulation}
333 \label{sec2}
334 With high degree polynomial, the Ehrlich-Aberth method implementation,
335 as well as the Durand-Kerner implementation, suffers from overflow problems. This
336 situation occurs, for instance, in the case where a polynomial,
337 having positive coefficients and a large degree, is computed at a
338 point $\xi$ where $|\xi| > 1$, where $|z|$ stands for the modolus of a complex $z$. Indeed, the limited number in the
339 mantissa of floating points representations makes the computation of $p(z)$ wrong when z
340 is large. For example $(10^{50}) +1+ (- 10^{50})$ will give the wrong result
341 of $0$ instead of $1$. Consequently, we can not compute the roots
342 for large degrees. This problem was discussed earlier in
343 ~\cite{Karimall98} for the Durand-Kerner method. The authors
344 propose to use the logarithm and the exponential of a complex in order to compute the power at a high exponent.
345
346 \begin{equation}
347 \label{deflncomplex}
348  \forall(x,y)\in R^{*2}; \ln (x+i.y)=\ln(x^{2}+y^{2})
349 2+i.\arcsin(y\sqrt{x^{2}+y^{2}})_{\left] -\pi, \pi\right[ }
350 \end{equation}
351 %%\begin{equation}
352 \begin{align}
353 \label{defexpcomplex}
354  \forall(x,y)\in R^{*2}; \exp(x+i.y) & = \exp(x).\exp(i.y)\\
355                                      & =\exp(x).\cos(y)+i.\exp(x).\sin(y)\label{defexpcomplex1}
356 \end{align}
357 %%\end{equation}
358
359 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
360 manipulate lower absolute values and the roots for large polynomial degrees can be looked for successfully~\cite{Karimall98}.
361
362 Applying this solution for the iteration function Eq.~\ref{Eq:Hi} of
363 Ehrlich-Aberth method, we obtain the following iteration function with exponential and logarithm:
364 %%$$ \exp \bigl(  \ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'}))- \ln(1- \exp(\ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'})+\ln\sum_{i\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}})$$
365 \begin{equation}
366 \label{Log_H2}
367 EA.EL: z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\exp \left(\ln \left(
368 p(z_{i}^{k})\right)-\ln\left(p'(z^{k}_{i})\right)- \ln\left(1-Q(z^{k}_{i})\right)\right),
369 \end{equation}
370
371 where:
372
373 \begin{equation}
374 \label{Log_H1}
375 Q(z^{k}_{i})=\exp\left( \ln (p(z^{k}_{i}))-\ln(p'(z^{k}_{i}))+\ln \left(
376 \sum_{i\neq j}^{n}\frac{1}{z^{k}_{i}-z^{k}_{j}}\right)\right)i=1,...,n,
377 \end{equation}
378
379 This solution is applied when the root except the circle unit, represented by the radius $R$ evaluated in C language as :
380 \begin{equation}
381 \label{R.EL}
382 R = exp(log(DBL\_MAX)/(2*n) );
383 \end{equation}
384
385
386 %\begin{equation}
387
388 %R = \exp( \log(DBL\_MAX) / (2*n) )
389 %\end{equation}
390  where \verb=DBL_MAX= stands for the maximum representable \verb=double= value.
391
392 \section{Implementation of simultaneous methods in a parallel computer}
393 \label{secStateofArt}   
394 The main problem of simultaneous methods is that the 
395 time needed for convergence is increased when we increase
396 the degree of the polynomial. The parallelization of these
397 algorithms is expected to improve the convergence time.
398 Authors usually adopt one of the two following approaches to parallelize root
399 finding algorithms. The first approach aims at reducing the total number of
400 iterations as in Miranker
401 ~\cite{Mirankar68,Mirankar71}, Schedler~\cite{Schedler72} and
402 Winograd~\cite{Winogard72}. The second approach aims at reducing the
403 computation time per iteration, as reported
404 in~\cite{Benall68,Jana06,Janall99,Riceall06}. 
405
406 There are many schemes for the simultaneous approximation of all roots of a given
407 polynomial. Several works on different methods and issues of root
408 finding have been reported in~\cite{Azad07, Gemignani07, Kalantari08,
409   Zhancall08, Zhuall08}. However, the Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth methods are the most practical choices among
410 them~\cite{Bini04}. These two methods have been extensively
411 studied for parallelization due to their intrinsic parallelism, i.e. the
412 computations involved in both methods have some inherent
413 parallelism that can be suitably exploited by SIMD machines.
414 Moreover, they have fast a rate of convergence (quadratic for the
415 Durand-Kerner and cubic for the Ehrlich-Aberth). Various parallel
416 algorithms reported for these methods can be found
417 in~\cite{Cosnard90, Freeman89,Freemanall90,Jana99,Janall99}.
418 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90} presented two parallel
419 algorithms on a local memory MIMD computer with the compute-to
420 communication time ratio O(n). However, their algorithms require
421 each processor to communicate its current approximation to all
422 other processors at the end of each iteration (synchronous). Therefore they
423 cause a high degree of memory conflict. Recently the author
424 in~\cite{Mirankar71} proposed two versions of parallel algorithm
425 for the Durand-Kerner method, and the Ehrlich-Aberth method on a model of
426 Optoelectronic Transpose Interconnection System (OTIS). The
427 algorithms are mapped on an OTIS-2D torus using $N$ processors. This
428 solution needs $N$ processors to compute $N$ roots, which is not
429 practical for solving large degree polynomials.
430
431 %Until very recently, the literature did not mention implementations
432 %able to compute the roots of large degree polynomials (higher then
433 %1000) and within small or at least tractable times.
434
435 Finding polynomial roots rapidly and accurately is the main objective of our work. 
436 With the advent of CUDA (Compute Unified Device
437 Architecture), finding the roots of polynomials receives a new attention because of the new possibilities to solve higher degree polynomials in less time. 
438 In~\cite{Kahinall14} we already proposed the first implementation
439 of a root finding method on GPUs, that of the Durand-Kerner method. The main result showed
440 that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as the
441 sequential implementation on a single CPU for high degree
442 polynomials of 48,000.
443 %In this paper we present a parallel implementation of Ehrlich-Aberth
444 %method on GPUs for sparse and full polynomials with high degree (up
445 %to $1,000,000$).
446
447
448 %% \section {A CUDA parallel Ehrlich-Aberth method}
449 %% In the following, we describe the parallel implementation of Ehrlich-Aberth method on GPU 
450 %% 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.
451
452 %% \subsection{Background on the GPU architecture}
453 %% A GPU is viewed as an accelerator for the data-parallel and
454 %% intensive arithmetic computations. It draws its computing power
455 %% from the parallel nature of its hardware and software
456 %% architectures. A GPU is composed of hundreds of Streaming
457 %% Processors (SPs) organized in several blocks called Streaming
458 %% Multiprocessors (SMs). It also has a memory hierarchy. It has a
459 %% private read-write local memory per SP, fast shared memory and
460 %% read-only constant and texture caches per SM and a read-write
461 %% global memory shared by all its SPs~\cite{NVIDIA10}.
462
463 %% On a CPU equipped with a GPU, all the data-parallel and intensive
464 %% functions of an application running on the CPU are off-loaded onto
465 %% the GPU in order to accelerate their computations. A similar
466 %% data-parallel function is executed on a GPU as a kernel by
467 %% thousands or even millions of parallel threads, grouped together
468 %% as a grid of thread blocks. Therefore, each SM of the GPU executes
469 %% one or more thread blocks in SIMD fashion (Single  Instruction,
470 %% Multiple Data) and in turn each SP of a GPU SM runs one or more
471 %% threads within a block in SIMT fashion (Single Instruction,
472 %% Multiple threads). Indeed at any given clock cycle, the threads
473 %% execute the same instruction of a kernel, but each of them
474 %% operates on different data.
475 %%  GPUs only work on data filled in their
476 %% global memories and the final results of their kernel executions
477 %% must be communicated to their CPUs. Hence, the data must be
478 %% transferred in and out of the GPU. However, the speed of memory
479 %% copy between the GPU and the CPU is slower than the memory
480 %% bandwidths of the GPU memories and, thus, it dramatically affects
481 %% the performances of GPU computations. Accordingly, it is necessary
482 %% to limit as much as possible, data transfers between the GPU and its CPU during the
483 %% computations.
484 %% \subsection{Background on the CUDA Programming Model}
485
486 %% The CUDA programming model is similar in style to a single program
487 %% multiple-data (SPMD) software model. The GPU is viewed as a
488 %% coprocessor that executes data-parallel kernel functions. CUDA
489 %% provides three key abstractions, a hierarchy of thread groups,
490 %% shared memories, and barrier synchronization. Threads have a three
491 %% level hierarchy. A grid is a set of thread blocks that execute a
492 %% kernel function. Each grid consists of blocks of threads. Each
493 %% block is composed of hundreds of threads. Threads within one block
494 %% can share data using shared memory and can be synchronized at a
495 %% barrier. All threads within a block are executed concurrently on a
496 %% multithreaded architecture.The programmer specifies the number of
497 %% threads per block, and the number of blocks per grid. A thread in
498 %% the CUDA programming language is much lighter weight than a thread
499 %% in traditional operating systems. A thread in CUDA typically
500 %% processes one data element at a time. The CUDA programming model
501 %% has two shared read-write memory spaces, the shared memory space
502 %% and the global memory space. The shared memory is local to a block
503 %% and the global memory space is accessible by all blocks. CUDA also
504 %% provides two read-only memory spaces, the constant space and the
505 %% texture space, which reside in external DRAM, and are accessed via
506 %% read-only caches.
507
508 \section{ Implementation of the Ehrlich-Aberth method on GPU}
509 \label{sec5}
510 %%\subsection{A CUDA implementation of the Aberth's method }
511 %%\subsection{A GPU implementation of the Aberth's method }
512
513
514
515 %% \subsection{Sequential Ehrlich-Aberth algorithm}
516 %% The main steps of Ehrlich-Aberth method are shown in Algorithm.~\ref{alg1-seq} :
517 %% %\LinesNumbered  
518 %% \begin{algorithm}[H]
519 %% \label{alg1-seq}
520
521 %% \caption{A sequential algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
522
523 %% \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (error tolerance
524 %%   threshold), $P$ (Polynomial to solve),$Pu$ (the derivative of P) $\Delta z_{max}$ (maximum value
525 %%   of stop condition), k (number of iteration), n (Polynomial's degrees)}
526 %% \KwOut {$Z$ (The solution root's vector), $ZPrec$ (the previous solution root's vector)}
527
528 %% \BlankLine
529
530 %% Initialization of $P$\;
531 %% Initialization of $Pu$\;
532 %% Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
533 %% $\Delta z_{max}=0$\;
534 %%  k=0\;
535
536 %% \While {$\Delta z_{max} > \varepsilon$}{
537 %%  Let $\Delta z_{max}=0$\;
538 %% \For{$j \gets 0 $ \KwTo $n$}{
539 %% $ZPrec\left[j\right]=Z\left[j\right]$;// save Z at the iteration k.\
540
541 %% $Z\left[j\right]=H\left(j, Z, P, Pu\right)$;//update Z with the iterative function.\
542 %% }
543 %% k=k+1\;
544
545 %% \For{$i \gets 0 $ \KwTo $n-1$}{
546 %% $c= testConverge(\Delta z_{max},ZPrec\left[j\right],Z\left[j\right])$\;
547 %% \If{$c > \Delta z_{max}$ }{
548 %% $\Delta z_{max}$=c\;}
549 %% }
550
551 %% }
552 %% \end{algorithm}
553
554 %% ~\\ 
555 %% 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.
556
557 \subsection{Parallel implementation with CUDA }
558
559 In order to implement the Ehrlich-Aberth method in CUDA, it is
560 possible to use the Jacobi scheme or the Gauss-Seidel one.  With the
561 Jacobi iteration, at iteration $k+1$ we need all the previous values
562 $z^{k}_{i}$ to compute the new values $z^{k+1}_{i}$, that is :
563
564 \begin{equation}
565 EAJ: z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
566 {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.
567 \end{equation}
568
569 With the Gauss-Seidel iteration, we have:
570 %\begin{equation}
571 %\label{eq:Aberth-H-GS}
572 %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.
573 %\end{equation}
574
575 \begin{equation}
576 \label{eq:Aberth-H-GS}
577 EAGS: z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
578 {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
579 \end{equation}
580
581 Using Eq.~\ref{eq:Aberth-H-GS} to update the vector solution
582 \textit{Z}, we expect the Gauss-Seidel iteration to converge more
583 quickly because, just as any Jacobi algorithm (for solving linear
584 systems of equations), it uses the freshest computed roots $z^{k+1}_{i}$.
585
586 %The $4^{th}$ step of the algorithm checks the convergence condition using Eq.~\ref{eq:Aberth-Conv-Cond}.
587 %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.
588
589
590
591 %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.
592 %In the GPU, the scheduler assigns the execution of this loop to a
593 %group of threads organised as a grid of blocks with block containing a
594 %number of threads. All threads within a block are executed
595 %concurrently in parallel. The instructions run on the GPU are grouped
596 %in special function called kernels. With CUDA, a programmer must
597 %describe the kernel execution context:  the size of the Grid, the number of blocks and the number of threads per block.
598
599 %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. 
600
601 Algorithm~\ref{alg2-cuda} shows a sketch of the Ehrlich-Aberth method using CUDA.
602
603 \begin{enumerate}
604 \begin{algorithm}[H]
605 \label{alg2-cuda}
606 %\LinesNumbered
607 \caption{CUDA Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
608
609 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (Error tolerance
610   threshold), P (Polynomial to solve), Pu (Derivative of P), $n$ (Polynomial degrees), $\Delta z_{max}$ (Maximum value of stop condition)}
611
612 \KwOut {$Z$ (Solution root's vector), $ZPrec$ (Previous solution root's vector)}
613
614 \BlankLine
615
616 \item Initialization of the of P\;
617 \item Initialization of the of Pu\;
618 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
619 \item Allocate and copy initial data to the GPU global memory\;
620 \item k=0\;
621 \While {$\Delta z_{max} > \epsilon$}{
622 \item Let $\Delta z_{max}=0$\;
623 \item $ kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
624 \item  k=k+1\;
625 \item $ kernel\_update(Z,P,Pu)$\;
626 \item $kernel\_testConverge(\Delta z_{max},Z,ZPrec)$\;
627
628 }
629 \item Copy results from GPU memory to CPU memory\;
630 \end{algorithm}
631 \end{enumerate}
632 ~\\ 
633
634 After the initialization step, all data of the root finding problem
635 must be copied from the CPU memory to the GPU global memory. Next, all
636 the data-parallel arithmetic operations inside the main loop
637 \verb=(while(...))= are executed as kernels by the GPU. The
638 first kernel named \textit{save} in line 7 of
639 Algorithm~\ref{alg2-cuda} consists in saving the vector of
640 polynomial roots found at the previous time-step in GPU memory, in
641 order to check the convergence of the roots after each iteration (line
642 10, Algorithm~\ref{alg2-cuda}).
643
644 The second kernel executes the iterative function and updates
645 $Z$, according to Algorithm~\ref{alg3-update}. We notice that the
646 update kernel is called in two forms, according to the value
647 \emph{R} which determines the radius beyond which we apply the
648 exponential logarithm algorithm. 
649
650 \begin{algorithm}[H]
651 \label{alg3-update}
652 %\LinesNumbered
653 \caption{Kernel update}
654
655 \eIf{$(\left|Z\right|<= R)$}{
656 $kernel\_update(Z,P,Pu)$\;}
657 {
658 $kernel\_update\_ExpoLog(Z,P,Pu)$\;
659 }
660 \end{algorithm}
661
662 If the modulus
663 of the current complex is less than a given value called the
664 radius i.e. ($ |z^{k}_{i}|<= R$), then the classical form of the EA
665 function Eq.~\ref{Eq:Hi} is executed else the EA.EL
666 function Eq.~\ref{Log_H2} is executed.
667 (with Eq.~\ref{deflncomplex}, Eq.~\ref{defexpcomplex}). The radius $R$ is evaluated as in Eq.~\ref{R.EL}.
668
669 The last kernel checks the convergence of the roots after each update
670 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. 
671
672 The kernel terminates its computations when all the roots have
673 converged. It should be noticed that, as blocks of threads are
674 scheduled automatically by the GPU, we have absolutely no control on
675 the order of the blocks. Consequently, our algorithm is executed more
676 or less with the asynchronous iteration model, where blocks of roots
677 are updated in a non deterministic way. As the Durand-Kerner method
678 has been proved to converge with asynchronous iterations, we think it
679 is similar with the Ehrlich-Aberth method, but we did not try to prove
680 this in that paper. Another consequence of that, is that several
681 executions of our algorithm with the same polynomial do not
682 necessarily give the same result (but roots have the same accuracy)
683 and the same number of iterations (even if the variation is not very
684 significant).
685
686
687
688
689
690 %%HIER END MY REVISIONS (SIDER)
691 \section{Experimental study}
692 \label{sec6}
693 %\subsection{Definition of the used polynomials }
694 We study two categories of polynomials: sparse polynomials and the full polynomials.\\
695 {\it A sparse polynomial} is a polynomial for which only some
696 coefficients are not null. In this paper, we consider sparse polynomials for which the roots are distributed on 2 distinct circles:
697 \begin{equation}
698         \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})
699 \end{equation}\noindent
700 {\it A full polynomial} is, in contrast, a polynomial for which
701 all the coefficients are not null. A full polynomial is defined by:
702 %%\begin{equation}
703         %%\forall \alpha_{i} \in C,\forall n_{i}\in N^{*}; P(z)= \sum^{n}_{i=1}(z^{n^{i}}.a_{i})
704 %%\end{equation}
705
706 \begin{equation}
707      {\Large \forall a_{i} \in C, i\in N;  p(x)=\sum^{n}_{i=0} a_{i}.x^{i}} 
708 \end{equation}
709 %With this form, we can have until \textit{n} non zero terms whereas the sparse ones have just two non zero terms.
710
711 %\subsection{The study condition} 
712 %Two parameters are studied are
713 %the polynomial degree and the execution time of our program
714 %to converge on the solution. The polynomial degree allows us
715 %to validate that our algorithm is powerful with high degree
716 %polynomials. The execution time remains the
717 %element-key which justifies our work of parallelization.
718 For our tests, a CPU Intel(R) Xeon(R) CPU
719 E5620@2.40GHz and a GPU K40 (with 6 Go of ram) are used. 
720
721
722 %\subsection{Comparative study}
723 %First, performances of the Ehrlich-Aberth method  of root finding polynomials
724 %implemented on CPUs and on GPUs are studied.
725
726 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.
727
728 All experimental results obtained from the simulations are made in
729 double precision data, the convergence threshold of the methods is set
730 to $10^{-7}$.
731 %Since we were more interested in the comparison of the
732 %performance behaviors of Ehrlich-Aberth and Durand-Kerner methods on
733 %CPUs versus on GPUs.
734 The initialization values of the vector solution
735 of the methods are given in Section~\ref{sec:vec_initialization}.
736
737 \subsection{Comparison of execution times of the Ehrlich-Aberth method
738   on a CPU with OpenMP (1 core and 4 cores) vs. on a Tesla GPU}
739
740 \begin{figure}[htbp]
741 \centering
742   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/openMP-GPU}
743 \caption{Comparison of execution times  of the Ehrlich-Aberth method
744   on a CPU with OpenMP (1 core, 4 cores) and on a Tesla GPU}
745 \label{fig:01}
746 \end{figure}
747 %%Figure 1 %%show a comparison of execution time between the parallel
748 %%and sequential version of the Ehrlich-Aberth algorithm with sparse
749 %%polynomial exceed 100000,
750
751 In Figure~\ref{fig:01}, we report the execution times of the
752 Ehrlich-Aberth method on one core of a Quad-Core Xeon E5620 CPU, on
753 four cores on the same machine with \textit{OpenMP} and on a Nvidia
754 Tesla K40 GPU.  We chose different sparse polynomials with degrees
755 ranging from 100,000 to 1,000,000. We can see that the implementation
756 on the GPU is faster than those implemented on the CPU.
757 However, the execution time for the
758 CPU (4 cores) implementation exceed 5,000s for 250,000 degrees
759 polynomials. On the other hand, the GPU implementation for the same
760 polynomials do not take more 100s. With the GPU
761 we can solve high degree polynomials very quickly up to degree 1,000,000. We can also notice that the GPU implementation are
762  almost 40 times faster then the implementation on the CPU (4 cores).
763
764
765  
766
767 %This reduction of time allows us to compute roots of polynomial of more important degree at the same time than with a CPU.
768  
769  %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.
770
771 \subsection{Influence of the number of threads on the execution times of different polynomials (sparse and full)}
772 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. 
773 For that, we noticed that the maximum number of threads per block for
774 the Nvidia Tesla K40 GPU is 1,024, so we varied the number of threads
775 per block from 8 to 1,024. We took into account the execution time for
776 10 different sparse and full polynomials of degree 50,000 and of degree 500,000.
777
778 \begin{figure}[htbp]
779 \centering
780   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/influence_nb_threads}
781 \caption{Influence of the number of threads on the execution times of different polynomials (sparse and full)}
782 \label{fig:02}
783 \end{figure}
784
785 Figure~\ref{fig:02} shows that, the best execution time for both
786 sparse and full polynomial are given when the threads number varies
787 between 64 and 256 threads per block. We notice that with small
788 polynomials the best number of threads per block is 64, whereas for large polynomials the best number of threads per block is
789 256. However, in the following experiments we specify that the number
790 of threads per block is 256.
791
792
793 \subsection{Influence of exp-log solution to compute high degree polynomials}
794
795 In this experiment we report the performance of the exp-log solution described in Section~\ref{sec2} to compute high degree polynomials.   
796 \begin{figure}[htbp]
797 \centering
798   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/sparse_full_explog}
799 \caption{The impact of exp-log solution to compute  high degree  polynomials}
800 \label{fig:03}
801 \end{figure}
802
803
804 Figure~\ref{fig:03} shows a comparison between the execution time of
805 the Ehrlich-Aberth method using the exp-log solution and the
806 execution time of the Ehrlich-Aberth method without this solution,
807 with full and sparse polynomials degrees. We can see that the
808 execution times for both algorithms are the same with full polynomials
809 degree inferior to 4,000 and sparse polynomials inferior to 150,000. We
810 also clearly show that the classical version (without exp-log) of
811 Ehrlich-Aberth algorithm does not converge after these degrees with
812 sparse and full polynomials. On the contrary, the new version of
813 the Ehrlich-Aberth algorithm with the exp-log solution can solve
814 high degree polynomials.
815
816 %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 . 
817
818
819
820
821 \subsection{Comparison of the Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth methods}
822
823 In this part, we  compare the Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth
824 methods on GPU. We took into account the execution times, the number of iterations and the polynomials size for both sparse and full polynomials.  
825
826 \begin{figure}[htbp]
827 \centering
828   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK}
829 \caption{Execution times of the  Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth methods on GPU}
830 \label{fig:04}
831 \end{figure}
832
833 Figure~\ref{fig:04} shows the execution times of both methods with
834 sparse polynomial degrees ranging from 1,000 to 1,000,000. We can see
835 that the Ehrlich-Aberth algorithm is faster than Durand-Kerner
836 algorithm, being on average 25 times faster. Then, when degrees of
837 polynomials exceed 500,000 the execution times with DK are very long.
838
839 %with double precision not exceed $10^{-5}$.
840
841 \begin{figure}[htbp]
842 \centering
843   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK_nbr}
844 \caption{The number of iterations to converge for the Ehrlich-Aberth
845   and the Durand-Kerner methods}
846 \label{fig:05}
847 \end{figure}
848
849 Figure~\ref{fig:05} shows the evaluation of the number of iterations according
850 to the degree of polynomials for both EA and DK algorithms. We can see
851 that the number of iterations of DK is of order 100 while EA is of order
852 10. Indeed the computation of the derivative of P in the iterative function (Eq.~\ref{Eq:Hi}) executed by EA
853 allows the algorithm to converge faster. On the contrary, the
854 DK operator (Eq.~\ref{DK}) needs low operations, consequently low
855 execution times per iteration, but it needs more iterations to converge.
856
857
858
859
860  \section{Conclusion and perspectives}
861 \label{sec7}
862 In this paper we have presented the parallel implementation
863 Ehrlich-Aberth method on GPU for the problem of finding roots
864 polynomial. Moreover, we have improved the classical Ehrlich-Aberth
865 method which suffers from overflow problems, the exp-log solution
866 applied to the iterative function allows to solve high degree
867 polynomials.
868
869 We have performed many experiments with the Ehrlich-Aberth method in
870 GPU. These experiments highlight that this method is more efficient in
871 GPU than all the other implementations. The improvement with
872 the exponential logarithm solution allows us to solve sparse and full
873 high degree polynomials up to 1,000,000 degree. Hence, it may be
874 possible to consider  using polynomial root finding methods in other
875 numerical applications on GPU.
876
877
878 In future works, we plan to investigate the possibility of using
879 several multiple GPUs simultaneously, either with a multi-GPU machine or
880 with a cluster of GPUs. It may also be interesting to study the
881 implementation of other root finding polynomial methods on GPU.
882
883
884
885 \bibliography{mybibfile}
886
887 \end{document}