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50
51 \begin{document}
52
53 \begin{frontmatter}
54
55 \title{Parallel polynomial root finding  using GPU}
56
57 %% Group authors per affiliation:
58 \author{Elsevier\fnref{myfootnote}}
59 \address{Radarweg 29, Amsterdam}
60 \fntext[myfootnote]{Since 1880.}
61
62 %% or include affiliations in footnotes:
63 \author[mymainaddress]{Ghidouche Kahina\corref{mycorrespondingauthor}}
64 %%\ead[url]{kahina.ghidouche@gmail.com}
65 \cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
66 \ead{kahina.ghidouche@gmail.com}
67
68 \author[mysecondaryaddress]{Couturier Raphael\corref{mycorrespondingauthor}}
69 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
70 \ead{raphael.couturier@univ-fcomte.fr}
71
72 \author[mymainaddress]{Abderrahmane Sider\corref{mycorrespondingauthor}}
73 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
74 \ead{ar.sider@univ-bejaia.dz}
75
76 \address[mymainaddress]{Department of informatics,University of Bejaia,Algeria}
77 \address[mysecondaryaddress]{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Compté }
78
79 \begin{abstract}
80 in this article we present a parallel implementation
81 of the Aberth algorithm for the problem root finding for
82 high degree polynomials on GPU architecture (Graphics
83 Processing Unit).
84 \end{abstract}
85
86 \begin{keyword}
87 root finding of polynomials, high degree, iterative methods, Durant-Kerner, GPU, CUDA, CPU , Parallelization
88 \end{keyword}
89
90 \end{frontmatter}
91
92 \linenumbers
93
94 \section{The problem of finding roots of a polynomial}
95 Polynomials are algebraic structures used in mathematics that capture physical phenomenons and that express the outcome in the form of a function of some unknown variable. Formally speaking,  a polynomial $p(x)$ of degree \textit{n} having $n$ coefficients in the complex plane \textit{C} and zeros $\alpha_{i},\textit{i=1,...,n}$ 
96 %%\begin{center}
97 \begin{equation}
98      {\Large p(x)=\sum{a_{i}x^{i}}=a_{n}\prod(x-\alpha_{i}),a_{0} a_{n}\neq 0}.
99 \end{equation}
100 %%\end{center}
101
102 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 $p$. 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
103 vector $x$ such that
104 \begin{center}
105 $x=g(x)$
106 \end{center}
107 where $g : C^{n}\longrightarrow C^{n}$. Usually, we can easily
108 rewrite this fixed-point problem as a root-finding problem by
109 setting $f(x) = x-g(x)$ and likewise we can recast the
110 root-finding problem into a fixed-point problem by setting
111 \begin{center}
112 $g(x)= f(x)-x$.
113 \end{center}
114
115 Often it is not be possible to solve such nonlinear equation
116 root-finding problems analytically. When this occurs we turn to
117 numerical methods to approximate the solution. 
118 Generally speaking, algorithms for solving problems can be divided into
119 two main groups: direct methods and iterative methods.
120 \\
121 Direct methods exist only for $n \leq 4$, solved in closed form by G. Cardano
122 in the mid-16th century. However, N.H. Abel in the early 19th
123 century showed that polynomials of degree five or more could not
124 be solved by  directs methods. Since then, mathmathicians have
125 focussed on numerical (iterative) methods such as the famous
126 Newton's method, Bernoulli's method of the 18th, and Graeffe's.
127
128 Later on, with the advent of electronic computers, other methods has
129 been developed such as the Jenkins-Traub method, Larkin's method,
130 Muller's method, and several methods for simultaneous
131 approximation of all the roots, starting with the Durand-Kerner (DK)
132 method :
133 %%\begin{center}
134 \begin{equation}
135  Z_{i}=Z_{i}-\frac{P(Z_{i})}{\prod_{i\neq j}(z_{i}-z_{j})}
136 \end{equation}
137 %%\end{center}
138
139 This formula is mentioned for the first time by
140 Weiestrass~\cite{Weierstrass03} as part of the fundamental theorem
141 of Algebra and is rediscovered by Ilieff~\cite{Ilie50},
142 Docev~\cite{Docev62}, Durand~\cite{Durand60},
143 Kerner~\cite{Kerner66}. Another method discovered by
144 Borsch-Supan~\cite{ Borch-Supan63} and also described and brought
145 in the following form by Ehrlich~\cite{Ehrlich67} and
146 Aberth~\cite{Aberth73} uses a different iteration formula given as fellows :
147 %%\begin{center}
148 \begin{equation}
149  Z_{i}=Z_{i}-\frac{1}{{\frac {P'(Z_{i})} {P(Z_{i})}}-{\sum_{i\neq j}(z_{i}-z_{j})}}.
150 \end{equation}
151 %%\end{center}
152
153 Aberth, Ehrlich and Farmer-Loizou~\cite{Loizon83} have proved that
154 the Ehrlisch-Aberth method (EA) has a cubic order of convergence for simple roots whereas the Durand-Kerner has a quadratic order of convergence.
155
156
157 Iterative methods raise several problem when implemented e.g.
158 specific sizes of numbers must be used to deal with this
159 difficulty. Moreover, the convergence time of iterative methods
160 drastically increases like the degrees of high polynomials. It is expected that the
161 parallelization of these algorithms will improve the convergence
162 time.
163
164 Many authors have dealt with the parallelisation of
165 simultaneous methods, i.e. that find all the zeros simultaneously. 
166 Freeman~\cite{Freeman89} implemeted and compared DK, EA and another method of the fourth order proposed
167 by Farmer and Loizou~\cite{Loizon83}, on a 8- processor linear
168 chain, for polynomials of degree up to 8. The third method often
169 diverges, but the first two methods have speed-up 5.5
170 (speed-up=(Time on one processor)/(Time on p processors)). Later,
171 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90}  considered asynchronous
172 algorithms, in which each processor continues to update its
173 approximations even though the latest values of other $z_i((k))$
174 have not been received from the other processors, in contrast with synchronous algorithms where it would wait those values before making a new iteration.
175 Couturier et al. ~\cite{Raphaelall01} proposed two methods of parallelisation for
176 a shared memory architecture and for distributed memory one. They were able to
177 compute the roots of polynomials of degree 10000 in 430 seconds with only 8
178 personal computers and 2 communications per iteration. Comparing to the sequential implementation
179 where it takes up to 3300 seconds to obtain the same results, the authors show an interesting speedup, indeed.
180
181 Very few works had been since this last work until the appearing of
182 the Compute Unified Device Architecture (CUDA)~\cite{CUDA10}, a
183 parallel computing platform and a programming model invented by
184 NVIDIA. The computing power of GPUs (Graphics Processing Unit) has exceeded that of
185 of CPUs. However, CUDA adopts a totally new computing architecture to use the
186 hardware resources provided by GPU in order to offer a stronger
187 computing ability to the massive data computing.
188
189
190 Ghidouche et al. ~\cite{Kahinall14} proposed an implementation of the
191 Durand-Kerner method on GPU. Their main
192 result showed that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as
193 the sequential implementation on a single CPU for high degree
194 polynomials of about 48000. To our knowledge, it is the first time such high degree polynomials are numerically solved.
195
196
197 In this paper, we focus on the implementation of the Aberth method for
198 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}.
199 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.  
200
201 \section{The Sequential Aberth method}
202 \label{sec1}
203 A cubically convergent iteration method for finding zeros of
204 polynomials was proposed by O.Aberth~\cite{Aberth73}. The Aberth
205 method is a purely algebraic derivation. To illustrate the
206 derivation, we let $w_{i}(z)$ be the product of linear factors 
207
208 \begin{equation}
209 w_{i}(z)=\prod_{j=1,j \neq i}^{n} (z-x_{j})
210 \end{equation}
211
212 And let a rational function $R_{i}(z)$ be the correction term of the
213 Weistrass method~\cite{Weierstrass03}
214
215 \begin{equation}
216 R_{i}(z)=\frac{p(z)}{w_{i}(z)} , i=1,2,...,n.
217 \end{equation}
218
219 Differentiating the rational function $R_{i}(z)$ and applying the
220 Newton method, we have:
221
222 \begin{equation}
223 \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
224 \end{equation}
225
226 Substituting $x_{j}$ for z we obtain the Aberth iteration method.
227
228 In the fellowing we present the main stages of the running of the Aberth method.
229
230 \subsection{Polynomials Initialization}
231 The initialization of a polynomial p(z) is done by setting each of the $n$ complex coefficients $a_{i}$
232 :
233
234 \begin{equation}
235   p(z)=\sum{a_{i}z^{n-i}} , a_{n} \neq 0,a_{0}=1, a_{i}\subset C
236 \end{equation}
237
238
239 \subsection{Vector $z^{(0)}$ Initialization}
240
241 Like for any iterative method, we need to choose $n$ initial guess points $z^{(0)}_{i}, i = 1, . . . , n.$
242 The initial guess is very important since the number of steps needed by the iterative method to reach
243 a given approximation strongly depends on it.
244 In~\cite{Aberth73} the Aberth iteration is started by selecting $n$
245 equi-spaced points on a circle of center 0 and radius r, where r is
246 an upper bound to the moduli of the zeros. Later, Bini et al.~\cite{Bini96}
247 performed this choice by selecting complex numbers along different
248 circles and relies on the result of~\cite{Ostrowski41}.
249
250 \begin{equation}
251 %%\begin{align}
252 \sigma_{0}=\frac{u+v}{2};u=\frac{\sum_{i=1}^{n}u_{i}}{n.max_{i=1}^{n}u_{i}};
253 v=\frac{\sum_{i=0}^{n-1}v_{i}}{n.min_{i=0}^{n-1}v_{i}};\\
254 %%\end{align}
255 \end{equation}
256 Where:
257 \begin{equation}
258 u_{i}=2.|a_{i}|^{\frac{1}{i}};
259 v_{i}=\frac{|\frac{a_{n}}{a_{i}}|^{\frac{1}{n-i}}}{2}.
260 \end{equation}
261
262 \subsection{Iterative Function $H_{i}$}
263 The operator used by the Aberth method is corresponding to the
264 following equation which will enable the convergence towards
265 polynomial solutions, provided all the roots are distinct.
266
267 \begin{equation}
268 H_{i}(z)=z_{i}-\frac{1}{\frac{p^{'}(z_{i})}{p(z_{i})}-\sum_{j\neq
269 i}{\frac{1}{z_{i}-z_{j}}}}
270 \end{equation}
271
272 \subsection{Convergence Condition}
273 The convergence condition determines the termination of the algorithm. It consists in stopping from running
274 the iterative function $H_{i}(z)$ when the roots are sufficiently stable. We consider that the method
275 converges sufficiently when:
276
277 \begin{equation}
278 \forall i \in
279 [1,n];\frac{z_{i}^{(k)}-z_{i}^{(k-1)}}{z_{i}^{(k)}}<\xi
280 \end{equation}
281
282
283 \section{Improving the Ehrlisch-Aberth Method}
284 \label{sec2}
285 The Ehrlisch-Aberth method implementation suffers of overflow problems. This
286 situation occurs, for instance, in the case where a polynomial
287 having positive coefficients and a large degree is computed at a
288 point $\xi$ where $|\xi| > 1$, where $|x|$ stands for the modolus of a complex $x$. Indeed, the limited number in the
289 mantissa of floating points representations makes the computation of p(z) wrong when z
290 is large. For example $(10^{50}) +1+ (- 10^{50})$ will give the wrong result
291 of $0$ instead of $1$. Consequently, we can not compute the roots
292 for large degrees. This problem was early discussed in
293 ~\cite{Karimall98} for the Durand-Kerner method, the authors
294 propose to use the logarithm and the exponential of a complex in order to compute the power at a high exponent.
295
296 \begin{equation}
297 \label{deflncomplex}
298  \forall(x,y)\in R^{*2}; \ln (x+i.y)=\ln(x^{2}+y^{2})
299 2+i.\arcsin(y\sqrt{x^{2}+y^{2}})_{\left] -\pi, \pi\right[ }
300 \end{equation}
301 %%\begin{equation}
302 \begin{align}
303 \label{defexpcomplex}
304  \forall(x,y)\in R^{*2}; \exp(x+i.y) & = \exp(x).\exp(i.y)\\
305                                      & =\exp(x).\cos(y)+i.\exp(x).\sin(y)\label{defexpcomplex}
306 \end{align}
307 %%\end{equation}
308
309 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
310 manipulate lower absolute values and the roots for large polynomial's degrees can be looked for successfully~\cite{Karimall98}.
311
312 Applying this solution for the Aberth method we obtain the
313 iteration function with logarithm:
314 %%$$ \exp \bigl(  \ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'}))- \ln(1- \exp(\ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'})+\ln\sum_{i\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}})$$
315 \begin{equation}
316 H_{i}(z)=z_{i}^{k}-\exp \left(\ln \left(
317 p(z_{k})\right)-\ln\left(p(z_{k}^{'})\right)- \ln
318 \left(1-Q(z_{k})\right)\right),
319 \end{equation}
320
321 where:
322
323 \begin{equation}
324 Q(z_{k})=\exp\left( \ln (p(z_{k}))-\ln(p(z_{k}^{'}))+\ln \left(
325 \sum_{k\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}}\right)\right).
326 \end{equation}
327
328 This solution is applied when it is necessary ??? When ??? (SIDER)
329
330 \section{The implementation of simultaneous methods in a parallel computer}
331 \label{secStateofArt}   
332 The main problem of simultaneous methods is that the necessary
333 time needed for convergence is increased when we increase
334 the degree of the polynomial. The parallelisation of these
335 algorithms is expected to improve the convergence time.
336 Authors usually adopt one of the two following approaches to parallelize root
337 finding algorithms. The first approach aims at reducing the total number of
338 iterations as by Miranker
339 ~\cite{Mirankar68,Mirankar71}, Schedler~\cite{Schedler72} and
340 Winogard~\cite{Winogard72}. The second approach aims at reducing the
341 computation time per iteration, as reported
342 in~\cite{Benall68,Jana06,Janall99,Riceall06}. 
343
344 There are many schemes for the simultaneous approximation of all roots of a given
345 polynomial. Several works on different methods and issues of root
346 finding have been reported in~\cite{Azad07, Gemignani07, Kalantari08, Skachek08, Zhancall08, Zhuall08}. However, Durand-Kerner and Ehrlisch-Aberth methods are the most practical choices among
347 them~\cite{Bini04}. These two methods have been extensively
348 studied for parallelization due to their intrinsics, i.e. the
349 computations involved in both methods has some inherent
350 parallelism that can be suitably exploited by SIMD machines.
351 Moreover, they have fast rate of convergence (quadratic for the
352 Durand-Kerner and cubic for the Ehrlisch-Aberth). Various parallel
353 algorithms reported for these methods can be found
354 in~\cite{Cosnard90, Freeman89,Freemanall90,,Jana99,Janall99}.
355 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90} presented two parallel
356 algorithms on a local memory MIMD computer with the compute-to
357 communication time ratio O(n). However, their algorithms require
358 each processor to communicate its current approximation to all
359 other processors at the end of each iteration (synchronous). Therefore they
360 cause a high degree of memory conflict. Recently the author
361 in~\cite{Mirankar71} proposed two versions of parallel algorithm
362 for the Durand-Kerner method, and Ehrlisch-Aberth method on a model of
363 Optoelectronic Transpose Interconnection System (OTIS).The
364 algorithms are mapped on an OTIS-2D torus using N processors. This
365 solution needs N processors to compute N roots, which is not
366 practical for solving polynomials with large degrees.
367 Until very recently, the literature doen not mention implementations able to compute the roots of
368 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. 
369 With the advent of CUDA (Compute Unified Device
370 Architecture), finding the roots of polynomials receives a new attention because of the new possibilities to solve higher degree polynomials in less time. 
371 In~\cite{Kahinall14} we already proposed the first implementation
372 of a root finding method on GPUs, that of the Durand-Kerner method. The main result showed
373 that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as the
374 sequential implementation on a single CPU for high degree
375 polynomials of 48000. In this paper we present a parallel implementation of Ehlisch-Aberth method on
376 GPUs, which details are discussed in the sequel.
377
378
379 \section {A parallel implementation of Aberth method}
380
381 \subsection{Background on the GPU architecture}
382 A GPU is viewed as an accelerator for the data-parallel and
383 intensive arithmetic computations. It draws its computing power
384 from the parallel nature of its hardware and software
385 architectures. A GPU is composed of hundreds of Streaming
386 Processors (SPs) organized in several blocks called Streaming
387 Multiprocessors (SMs). It also has a memory hierarchy. It has a
388 private read-write local memory per SP, fast shared memory and
389 read-only constant and texture caches per SM and a read-write
390 global memory shared by all its SPs~\cite{NVIDIA10}
391
392     On a CPU equipped with a GPU, all the data-parallel and intensive
393 functions of an application running on the CPU are off-loaded onto
394 the GPU in order to accelerate their computations. A similar
395 data-parallel function is executed on a GPU as a kernel by
396 thousands or even millions of parallel threads, grouped together
397 as a grid of thread blocks. Therefore, each SM of the GPU executes
398 one or more thread blocks in SIMD fashion (Single  Instruction,
399 Multiple Data) and in turn each SP of a GPU SM runs one or more
400 threads within a block in SIMT fashion (Single Instruction,
401 Multiple threads). Indeed at any given clock cycle, the threads
402 execute the same instruction of a kernel, but each of them
403 operates on different data.
404  GPUs only work on data filled in their
405 global memories and the final results of their kernel executions
406 must be communicated to their CPUs. Hence, the data must be
407 transferred in and out of the GPU. However, the speed of memory
408 copy between the GPU and the CPU is slower than the memory
409 bandwidths of the GPU memories and, thus, it dramatically affects
410 the performances of GPU computations. Accordingly, it is necessary
411 to limit data transfers between the GPU and its CPU during the
412 computations.
413 \subsection{Background on the CUDA Programming Model}
414
415 The CUDA programming model is similar in style to a single program
416 multiple-data (SPMD) softwaremodel. The GPU is treated as a
417 coprocessor that executes data-parallel kernel functions. CUDA
418 provides three key abstractions, a hierarchy of thread groups,
419 shared memories, and barrier synchronization. Threads have a three
420 level hierarchy. A grid is a set of thread blocks that execute a
421 kernel function. Each grid consists of blocks of threads. Each
422 block is composed of hundreds of threads. Threads within one block
423 can share data using shared memory and can be synchronized at a
424 barrier. All threads within a block are executed concurrently on a
425 multithreaded architecture.The programmer specifies the number of
426 threads per block, and the number of blocks per grid. A thread in
427 the CUDA programming language is much lighter weight than a thread
428 in traditional operating systems. A thread in CUDA typically
429 processes one data element at a time. The CUDA programming model
430 has two shared read-write memory spaces, the shared memory space
431 and the global memory space. The shared memory is local to a block
432 and the global memory space is accessible by all blocks. CUDA also
433 provides two read-only memory spaces, the constant space and the
434 texture space, which reside in external DRAM, and are accessed via
435 read-only caches.
436
437 \subsection{ The implementation of Aberth method on GPU}
438 %%\subsection{A CUDA implementation of the Aberth's method }
439 %%\subsection{A GPU implementation of the Aberth's method }
440
441
442
443 \subsubsection{A sequential Aberth algorithm}
444 The means steps of Aberth method can expressed as an algorithm
445 like:
446   
447 \begin{algorithm}[H]
448 %\LinesNumbered
449 \caption{Algorithm to find root polynomial with Aberth method}
450
451 \KwIn{$Z^{0}$(Initial root's vector),$\varepsilon$ (error
452 tolerance threshold),P(Polynomial to solve)}
453
454 \KwOut {Z(The solution root's vector)}
455
456 \BlankLine
457
458 Initialization of the parameter of the polynomial to solve\;
459 Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
460
461 \While {$\Delta z_{max}\succ \epsilon$}{
462  Let $\Delta z_{max}=0$\;
463 \For{$j \gets 0 $ \KwTo $n$}{
464 $ZPrec\left[j\right]=Z\left[j\right]$\;
465 $Z\left[j\right]=H\left(j,Z\right)$\;
466 }
467
468 \For{$i \gets 0 $ \KwTo $n-1$}{
469 $c=\frac{\left|Z\left[i\right]-ZPrec\left[i\right]\right|}{Z\left[i\right]}$\;
470 \If{$c\succ\Delta z_{max}$ }{
471 $\Delta z_{max}$=c\;}
472 }
473 }
474 \end{algorithm}
475
476 ~\\ 
477 In this sequential algorithm one thread CPU execute all steps. Let see the step 3 the execution of the iterative function, 2 instructions are needed, the first instruction \textit{save} the solution vector for the previous iteration, the second instruction \textit{update} or compute a new values of the roots.
478 We have two manner to execute the iterative function, taking a Jacobi iteration who need all the previous value $z^{(k)}_{i}$ to compute the new value $z^{(k+1)}_{i}$we have:
479
480 \begin{equation}
481 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.
482 \end{equation}
483
484 Or with the Gauss-seidel iteration, we have:
485 \begin{equation}
486 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.
487 \end{equation}
488
489 In formula(16), the Gauss-seidel iteration converge more quickly because they used the most fresh computed root $z^{k+1}_{i}$ , at this reason we used Gauss-seidel iteration.
490
491 The steps 4 of the Aberth method compute the convergence of the roots, using(9) formula.
492 Both steps 3 and 4 use 1 thread to compute N roots on CPU, which is harmful for the large polynomial's roots finding.
493
494 \paragraph{The execution time}
495 Let $T_{i}(N)$: the time to compute one new root's value of the step 3,$T_{i}$ depend on the polynomial's degrees N, when N increase $T_{i}$ increase to. We need $N.T_{i}(N)$ to compute all the new root's value in one iteration on the step 3.
496
497 Let $T_{j}$: the time to compute one root's convergence value of the step 4, we need $N.T_{j}$ to compute all the root's convergence value in one iteration on the step 4.
498
499 The execution time for both steps 3 and 4 can see like:
500 \begin{equation}
501 T_{exe}=N(T_{i}(N)+T_{j})+O(n).
502 \end{equation}
503 Let Nbr\_iter the number of iteration necessary to compute all the roots, so the total execution time $Total\_time_{exe}$ can give like:
504
505 \begin{equation}
506 Total\_time_{exe}=\left[N\left(T_{i}(N)+T_{j}\right)+O(n)\right].Nbr\_iter
507 \end{equation}
508 The execution time increase with the increasing of the polynomial's root, which take necessary to parallelize this step to reduce the execution time. In the following paper you explain how we parrallelize  this step using GPU architecture with CUDA platform.
509
510 \subsubsection{Parallelize the steps on GPU }
511 On the CPU Aberth algorithm both steps 3 and 4 contain the loop \verb=for=, it use one thread to execute all the instruction in the loop N times. Here we explain how the GPU architecture can compute this loop and reduce the execution time.
512 The GPU architecture assign the execution of this loop to a groups of parallel threads organized as a grid of blocks each block contain a number of threads. All threads within a block are executed concurrently in parallel. The instruction are executed as a kernel.
513
514 Let nbr\_thread be the number of threads executed in parallel, so you can easily transform the (18)formula like this: 
515
516 \begin{equation}
517 Total\_time_{exe}=\left[\frac{N}{nbr\_thread}\left(T_{i}(N)+T_{j}\right)+O(n)\right].Nbr\_iter.
518 \end{equation}
519
520 In theory, the $Total\_time_{exe}$ on GPU is speed up nbr\_thread times as a $Total\_time_{exe}$ on CPU. We show more details in the experiment part. 
521 ~\\
522 ~\\
523 In CUDA platform, All the instruction of the loop \verb=for= are executed by the GPU as a kernel form. A kernel is a procedure written in CUDA and defined by a heading \verb=__global__=, which means that it is to be executed by the GPU. The following algorithm see the Aberth algorithm on GPU:
524
525 \begin{algorithm}[H]
526 %\LinesNumbered
527 \caption{Algorithm to find root polynomial with Aberth method}
528
529 \KwIn{$Z^{0}$(Initial root's vector),$\varepsilon$ (error
530 tolerance threshold),P(Polynomial to solve)}
531
532 \KwOut {Z(The solution root's vector)}
533
534 \BlankLine
535
536 Initialization of the parameter of the polynomial to solve\;
537 Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
538 Allocate and fill the data in the global memory GPU\;
539
540 \While {$\Delta z_{max}\succ \epsilon$}{
541  Let $\Delta z_{max}=0$\;
542 $ kernel\_save(d\_Z^{k-1})$\;
543 $ kernel\_update(d\_z^{k})$\;
544 $kernel\_testConverge (d_?z_{max},d_Z^{k},d_Z^{k-1})$\;
545 }
546 \end{algorithm}
547 ~\\ 
548
549 After the initialization 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 work on the data filled 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 \textit{save} in line( 6, Algorithm 2) consist to save the vector of polynomial's root found at the previous time step on GPU memory, in order to test the convergence of the root at each iteration in line (8, Algorithm 2).
550
551 The second kernel executes the iterative function and update Z(k),as formula (), we notice that the kernel update are called in two forms,  separated with  the value of \emph{R} which determines the radius beyond which we apply the logarithm formula like this: 
552
553 \begin{algorithm}[H]
554 %\LinesNumbered
555 \caption{A global Algorithm for the iterative function}
556
557 \eIf{$(\left|Z^{(k)}\right|<= R)$}{
558 $kernel\_update(d\_z^{k})$\;}
559 {
560 $kernel\_update\_Log(d\_z^{k})$\;
561 }
562 \end{algorithm}
563
564 The first form execute the formula(8) if all the module's $( |Z(k)|<= R)$, else the kernel execute the formulas(13,14).the radius R was computed like:
565
566 $$R = \exp( \log(DBL\_MAX) / (2*(double)P.degrePolynome) )$$
567
568 The last kernel verify the convergence of the root after each update of $Z^{(k)}$, as formula(), we used the function of the CUBLAS Library (CUDA Basic Linear Algebra Subroutines) to implement this kernel. 
569
570 The kernels terminates its computations when all the root are converged. Finally, the solution of the  root finding problem is copied back from the GPU global memory to the CPU memory. We use the communication functions of CUDA for the memory allocations in the GPU \verb=(cudaMalloc())= and the data transfers from the CPU memory to the GPU memory \verb=(cudaMemcpyHostToDevice)=
571 or from the GPU memory to the CPU memory \verb=(cudaMemcpyDeviceToHost))=. 
572 \subsection{Experimental study}
573
574 \subsubsection{Definition of the polynomial used}
575 We use a polynomial of the following form for which the
576 roots are distributed on 2 distinct circles:
577 \begin{equation}
578         \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})
579 \end{equation}
580
581 This form makes it possible to associate roots having two
582 different modules and thus to work on a polynomial constitute
583 of four non zero terms.
584 \\
585  An other form of the polynomial to obtain  a full polynomial is:
586 %%\begin{equation}
587         %%\forall \alpha_{i} \in C,\forall n_{i}\in N^{*}; P(z)= \sum^{n}_{i=1}(z^{n^{i}}.a_{i})
588 %%\end{equation}
589
590 \begin{equation}
591      {\Large \forall a_{i} \in C; p(x)=\sum^{n-1}_{i=1} a_{i}.x^{i}} 
592 \end{equation}
593 with this formula, we can have until \textit{n} non zero terms.
594
595 \subsubsection{The study condition} 
596 In order to have representative average values, for each
597 point of our curves we measured the roots finding of 10
598 different polynomials.
599
600 The our experiences results concern two parameters which are
601 the polynomial degree and the execution time of our program
602 to converge on the solution. The polynomial degree allows us
603 to validate that our algorithm is powerful with high degree
604 polynomials. The execution time remains the
605 element-key which justifies our work of parallelization.
606         For our tests we used a CPU Intel(R) Xeon(R) CPU
607 E5620@2.40GHz and a GPU Tesla C2070 (with 6 Go of ram)
608
609 \subsubsection{Comparative study}
610 We initially carried out the convergence of Aberth algorithm with various sizes of polynomial, in second we evaluate the influence of the size of the threads per block....
611
612 \paragraph{Aberth algorithm on CPU and GPU}
613
614 \begin{table}[!ht]
615         \centering
616                 \begin{tabular} {|R{2cm}|L{2.5cm}|L{2.5cm}|L{1.5cm}|L{1.5cm}|}
617                         \hline Polynomial's degrees & $T_{exe}$ on CPU & $T_{exe}$ on GPU & CPU iteration & GPU iteration\\
618                                 \hline 5000 & 1.90 & 0.40 & 18 & 17\\
619                                 \hline 10000 & 172.723 & 0.59 & 21 & 24\\
620                                 \hline 20000 & 172.723 & 1.52 & 21 & 25\\
621                                 \hline 30000 & 172.723 & 2.77 & 21 & 33\\
622                                 \hline 50000 & 172.723 & 3.92 & 21 & 18\\
623                                 \hline 500000 & $>$1h & 497.109 &  & 24\\
624                                 \hline 1000000 & $>$1h & 1,524.51& & 24\\
625                                 \hline 
626                 \end{tabular}
627         \caption{the convergence of Aberth algorithm}
628         \label{tab:theConvergenceOfAberthAlgorithm}
629 \end{table}
630  
631 \paragraph{The impact of the thread's number into the convergence of Aberth  algorithm}
632
633 \begin{table}[!h]
634         \centering
635                 \begin{tabular} {|R{2.5cm}|L{2.5cm}|L{2.5cm}|}
636                         \hline Thread's numbers & Execution time &Number of iteration\\
637                                 \hline 1024 & 523 & 27\\
638                                 \hline 512 & 449.426 & 24\\
639                                 \hline 256 & 440.805 & 24\\
640                                 \hline 128 & 456.175 & 22\\
641                                 \hline 64 & 472.862 & 23\\
642                                 \hline 32 & 830.152 & 24\\
643                                 \hline 8 & 2632.78 & 23 \\
644                                 \hline
645                                 \end{tabular}
646                                 \caption{The impact of the thread's number into the convergence of Aberth  algorithm}
647         \label{tab:Theimpactofthethread'snumberintotheconvergenceofAberthalgorithm}
648                 
649 \end{table}
650
651 \paragraph{A comparative study between Aberth and Durand-kerner algorithm}
652 \begin{table}[htbp]
653         \centering
654                 \begin{tabular} {|R{2cm}|L{2.5cm}|L{2.5cm}|L{1.5cm}|L{1.5cm}|}
655                         \hline Polynomial's degrees & Aberth $T_{exe}$ & D-Kerner $T_{exe}$ & Aberth iteration & D-Kerner iteration\\
656                         \hline 5000 &  0.40 & 3.42 & 17 & 138 \\
657                         \hline 50000 & 3.92 & 385.266 & 17 & 823\\
658                         \hline 500000 & 497.109 & 4677.36 & 24 & 214\\
659                         \hline                                  
660                                         \end{tabular}
661         \caption{Aberth algorithm compare to Durand-Kerner algorithm}
662         \label{tab:AberthAlgorithCompareToDurandKernerAlgorithm}
663 \end{table}
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