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[kahina_paper1.git] / paper.tex
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52
53 \begin{document}
54
55 \begin{frontmatter}
56
57 \title{Efficient high degree polynomial root finding using GPU}
58
59 %% Group authors per affiliation:
60 %\author{Elsevier\fnref{myfootnote}}
61 %\address{Radarweg 29, Amsterdam}
62 %\fntext[myfootnote]{Since 1880.}
63
64 %% or include affiliations in footnotes:
65 \author[mymainaddress]{Kahina Ghidouche}
66 %%\ead[url]{kahina.ghidouche@univ-bejaia.dz}
67 \cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
68 \ead{kahina.ghidouche@univ-bejaia.dz}
69
70 \author[mysecondaryaddress]{Raphaël Couturier\corref{mycorrespondingauthor}}
71 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
72 \ead{raphael.couturier@univ-fcomte.fr}
73
74 \author[mymainaddress]{Abderrahmane Sider}
75 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
76 \ead{ar.sider@univ-bejaia.dz}
77
78 \address[mymainaddress]{Laboratoire LIMED, Faculté des sciences
79   exactes, Université de Bejaia, 06000, Algeria}
80 \address[mysecondaryaddress]{FEMTO-ST Institute, University of
81   Bourgogne Franche-Comte, France }
82
83 \begin{abstract}
84 Polynomials are mathematical algebraic structures that play a great
85 role in science and engineering. Finding roots of high degree
86 polynomials is computationally demanding. In this paper, we present
87 the results of a parallel implementation of the Ehrlich-Aberth
88 algorithm for the root finding problem for high degree polynomials on
89 GPU architectures. The main result of this
90 work is to be able to solve high degree polynomials (up
91 to 1,000,000) very efficiently. We also compare the results with a
92 sequential implementation and the Durand-Kerner method on full and
93 sparse polynomials.
94 \end{abstract}
95
96 \begin{keyword}
97 Polynomial root finding, Iterative methods, Ehrlich-Aberth, Durand-Kerner, GPU
98 \end{keyword}
99
100 \end{frontmatter}
101
102 \linenumbers
103
104 \section{The problem of finding roots of a polynomial}
105 Polynomials are mathematical algebraic structures used in science and engineering to capture physical phenomenons and to express any outcome in the form of a function of some unknown variables. Formally speaking,  a polynomial $p(x)$ of degree \textit{n} having $n$ coefficients in the complex plane \textit{C} is :
106 %%\begin{center}
107 \begin{equation}
108      {\Large p(x)=\sum_{i=0}^{n}{a_{i}x^{i}}}.
109 \end{equation}
110 %%\end{center}
111
112 The root finding problem consists in finding the values of all the $n$ values of the variable $x$ for which \textit{p(x)} is nullified. Such values are called zeroes of $p$. If zeros are $\alpha_{i},\textit{i=1,...,n}$ the $p(x)$ can be written as :
113 \begin{equation}
114      {\Large p(x)=a_{n}\prod_{i=1}^{n}(x-\alpha_{i}), a_{0} a_{n}\neq 0}.
115 \end{equation}
116
117 The problem of finding a root is equivalent to that of solving a fixed-point problem. To see this, consider the fixed-point problem of finding the $n$-dimensional
118 vector $x$ such that :
119 \begin{center}
120 $x=g(x)$
121 \end{center}
122 where $g : C^{n}\longrightarrow C^{n}$. Usually, we can easily
123 rewrite this fixed-point problem as a root-finding problem by
124 setting $f(x) = x-g(x)$ and likewise we can recast the
125 root-finding problem into a fixed-point problem by setting :
126 \begin{center}
127 $g(x)= f(x)-x$.
128 \end{center}
129
130 Often it is not be possible to solve such nonlinear equation
131 root-finding problems analytically. When this occurs we turn to
132 numerical methods to approximate the solution. 
133 Generally speaking, algorithms for solving problems can be divided into
134 two main groups: direct methods and iterative methods.
135 \\
136 Direct methods exist only for $n \leq 4$, solved in closed form by G. Cardano
137 in the mid-16th century. However, N. H. Abel in the early 19th
138 century showed that polynomials of degree five or more could not
139 be solved by  direct methods. Since then, mathematicians have
140 focussed on numerical (iterative) methods such as the famous
141 Newton method, the Bernoulli method of the 18th, and the Graeffe method.
142
143 Later on, with the advent of electronic computers, other methods have
144 been developed such as the Jenkins-Traub method, the Larkin method,
145 the Muller method, and several methods for simultaneous
146 approximation of all the roots, starting with the Durand-Kerner (DK)
147 method:
148 %%\begin{center}
149 \begin{equation}
150 \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{Loizon83} 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 Iterative methods raise several problem when implemented e.g.
180 specific sizes of numbers must be used to deal with this
181 difficulty. Moreover, the convergence time of iterative methods
182 drastically increases like the degrees of high polynomials. It is expected that the
183 parallelization of these algorithms will improve the convergence
184 time.
185
186 Many authors have dealt with the parallelization of
187 simultaneous methods, i.e. that find all the zeros simultaneously. 
188 Freeman~\cite{Freeman89} implemeted and compared DK, EA and another method of the fourth order proposed
189 by Farmer and Loizou~\cite{Loizon83}, on a 8- processor linear
190 chain, for polynomials of degree up to 8. The third method often
191 diverges, but the first two methods have speed-up 5.5
192 (speed-up=(Time on one processor)/(Time on p processors)). Later,
193 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90}  considered asynchronous
194 algorithms, in which each processor continues to update its
195 approximations even though the latest values of other $z_i((k))$
196 have not been received from the other processors, in contrast with synchronous algorithms where it would wait those values before making a new iteration.
197 Couturier and al~\cite{Raphaelall01} proposed two methods of parallelization for
198 a shared memory architecture and for distributed memory one. They were able to
199 compute the roots of polynomials of degree 10000 in 430 seconds with only 8
200 personal computers and 2 communications per iteration. Comparing to the sequential implementation
201 where it takes up to 3300 seconds to obtain the same results, the authors show an interesting speedup, indeed.
202
203 Very few works had been since this last work until the appearing of
204 the Compute Unified Device Architecture (CUDA)~\cite{CUDA10}, a
205 parallel computing platform and a programming model invented by
206 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
207 hardware resources provided by GPU in order to offer a stronger
208 computing ability to the massive data computing.
209
210
211 Ghidouche and al~\cite{Kahinall14} proposed an implementation of the
212 Durand-Kerner method on GPU. Their main
213 result showed that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as
214 the sequential implementation on a single CPU for high degree
215 polynomials of about 48000. To our knowledge, it is the first time such high degree polynomials are numerically solved.
216
217
218 In this paper, we focus on the implementation of the Ehrlich-Aberth method for
219 high degree polynomials on GPU. The paper is organized as fellows. Initially, we recall the Ehrlich-Aberth method in Section \ref{sec1}. Improvements for the Ehrlich-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}.
220 In Section \ref{sec5} we propose a parallel implementation of the Ehrlich-Aberth method on GPU and discuss it. Section \ref{sec6} presents and investigates our implementation and experimental study results. Finally, Section\ref{sec7} 6 concludes this paper and gives some hints for future research directions in this topic.  
221
222 \section{The Sequential Aberth method}
223 \label{sec1}
224 A cubically convergent iteration method for finding zeros of
225 polynomials was proposed by O. Aberth~\cite{Aberth73}. In the fellowing we present the main stages of the running of the Aberth method.
226 %The Aberth method is a purely algebraic derivation. 
227 %To illustrate the derivation, we let $w_{i}(z)$ be the product of linear factors 
228
229 %\begin{equation}
230 %w_{i}(z)=\prod_{j=1,j \neq i}^{n} (z-x_{j})
231 %\end{equation}
232
233 %And let a rational function $R_{i}(z)$ be the correction term of the
234 %Weistrass method~\cite{Weierstrass03}
235
236 %\begin{equation}
237 %R_{i}(z)=\frac{p(z)}{w_{i}(z)} , i=1,2,...,n.
238 %\end{equation}
239
240 %Differentiating the rational function $R_{i}(z)$ and applying the
241 %Newton method, we have:
242
243 %\begin{equation}
244 %\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
245 %\end{equation}
246 %where R_{i}^{'}(z)is the rational function derivative of F evaluated in the point z 
247 %Substituting $x_{j}$ for $z_{j}$ we obtain the Aberth iteration method.% 
248
249
250 \subsection{Polynomials Initialization}
251 The initialization of a polynomial p(z) is done by setting each of the $n$ complex coefficients $a_{i}$:
252
253 \begin{equation}
254 \label{eq:SimplePolynome}
255   p(z)=\sum{a_{i}z^{n-i}} , a_{n} \neq 0,a_{0}=1, a_{i}\subset C
256 \end{equation}
257
258
259 \subsection{Vector $z^{(0)}$ Initialization}
260
261 Like for any iterative method, we need to choose $n$ initial guess points $z^{(0)}_{i}, i = 1, . . . , n.$
262 The initial guess is very important since the number of steps needed by the iterative method to reach
263 a given approximation strongly depends on it.
264 In~\cite{Aberth73} the Aberth iteration is started by selecting $n$
265 equi-spaced points on a circle of center 0 and radius r, where r is
266 an upper bound to the moduli of the zeros. Later, Bini and al.~\cite{Bini96}
267 performed this choice by selecting complex numbers along different
268 circles and relies on the result of~\cite{Ostrowski41}.
269
270 \begin{equation}
271 \label{eq:radiusR}
272 %%\begin{align}
273 \sigma_{0}=\frac{u+v}{2};u=\frac{\sum_{i=1}^{n}u_{i}}{n.max_{i=1}^{n}u_{i}};
274 v=\frac{\sum_{i=0}^{n-1}v_{i}}{n.min_{i=0}^{n-1}v_{i}};\\
275 %%\end{align}
276 \end{equation}
277 Where:
278 \begin{equation}
279 u_{i}=2.|a_{i}|^{\frac{1}{i}};
280 v_{i}=\frac{|\frac{a_{n}}{a_{i}}|^{\frac{1}{n-i}}}{2}.
281 \end{equation}
282
283 \subsection{Iterative Function}
284 %The operator used by the Aberth method is corresponding to the
285 %following equation~\ref{Eq:EA} which will enable the convergence towards
286 %polynomial solutions, provided all the roots are distinct.
287
288 Here we give a second form of the iterative function used by Ehrlich-Aberth method: 
289
290 \begin{equation}
291 \label{Eq:Hi}
292 EA2: z^{k+1}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
293 {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=0,. . . .,n
294 \end{equation}
295 we notice that the function iterative in Eq.~\ref{Eq:Hi} it the same those presented in Eq.~\ref{Eq:EA}, but we prefer used the last one seen the advantage of its use to improve the Ehrlich-Aberth method and resolve very high degrees polynomials. More detail in the section ~\ref{sec2}.    
296 \subsection{Convergence Condition}
297 The convergence condition determines the termination of the algorithm. It consists in stopping from running the iterative function  when the roots are sufficiently stable. We consider that the method converges sufficiently when:
298
299 \begin{equation}
300 \label{eq:Aberth-Conv-Cond}
301 \forall i \in
302 [1,n];\frac{z_{i}^{k}-z_{i}^{k-1}}{z_{i}^{k}}<\xi
303 \end{equation}
304
305
306 \section{Improving the Ehrlich-Aberth Method for high degree polynomials with exp.log formulation}
307 \label{sec2}
308 The Ehrlich-Aberth method implementation suffers of overflow problems. This
309 situation occurs, for instance, in the case where a polynomial
310 having positive coefficients and a large degree is computed at a
311 point $\xi$ where $|\xi| > 1$, where $|x|$ stands for the modolus of a complex $x$. Indeed, the limited number in the
312 mantissa of floating points representations makes the computation of p(z) wrong when z
313 is large. For example $(10^{50}) +1+ (- 10^{50})$ will give the wrong result
314 of $0$ instead of $1$. Consequently, we can not compute the roots
315 for large degrees. This problem was early discussed in
316 ~\cite{Karimall98} for the Durand-Kerner method, the authors
317 propose to use the logarithm and the exponential of a complex in order to compute the power at a high exponent.
318
319 \begin{equation}
320 \label{deflncomplex}
321  \forall(x,y)\in R^{*2}; \ln (x+i.y)=\ln(x^{2}+y^{2})
322 2+i.\arcsin(y\sqrt{x^{2}+y^{2}})_{\left] -\pi, \pi\right[ }
323 \end{equation}
324 %%\begin{equation}
325 \begin{align}
326 \label{defexpcomplex}
327  \forall(x,y)\in R^{*2}; \exp(x+i.y) & = \exp(x).\exp(i.y)\\
328                                      & =\exp(x).\cos(y)+i.\exp(x).\sin(y)\label{defexpcomplex}
329 \end{align}
330 %%\end{equation}
331
332 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
333 manipulate lower absolute values and the roots for large polynomial's degrees can be looked for successfully~\cite{Karimall98}.
334
335 Applying this solution for the Ehrlich-Aberth method we obtain the
336 iteration function with logarithm:
337 %%$$ \exp \bigl(  \ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'}))- \ln(1- \exp(\ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'})+\ln\sum_{i\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}})$$
338 \begin{equation}
339 \label{Log_H2}
340 EA.EL: z^{k+1}=z_{i}^{k}-\exp \left(\ln \left(
341 p(z_{i}^{k})\right)-\ln\left(p'(z^{k}_{i})\right)- \ln
342 \left(1-Q(z^{k}_{i})\right)\right),
343 \end{equation}
344
345 where:
346
347 \begin{equation}
348 \label{Log_H1}
349 Q(z^{k}_{i})=\exp\left( \ln (p(z^{k}_{i}))-\ln(p'(z^{k}_{i}))+\ln \left(
350 \sum_{k\neq j}^{n}\frac{1}{z^{k}_{i}-z^{k}_{j}}\right)\right).
351 \end{equation}
352
353 This solution is applied when the root except the circle unit, represented by the radius $R$ evaluated in C language as:
354 \begin{verbatim}
355 R = exp(log(DBL_MAX)/(2*n) );
356 \end{verbatim} 
357
358 %\begin{equation}
359
360 %R = \exp( \log(DBL\_MAX) / (2*n) )
361 %\end{equation}
362  where \verb=DBL_MAX= stands for the maximum representable \verb=double= value.
363
364 \section{Implementation of simultaneous methods in a parallel computer}
365 \label{secStateofArt}   
366 The main problem of simultaneous methods is that the necessary
367 time needed for convergence is increased when we increase
368 the degree of the polynomial. The parallelization of these
369 algorithms is expected to improve the convergence time.
370 Authors usually adopt one of the two following approaches to parallelize root
371 finding algorithms. The first approach aims at reducing the total number of
372 iterations as by Miranker
373 ~\cite{Mirankar68,Mirankar71}, Schedler~\cite{Schedler72} and
374 Winogard~\cite{Winogard72}. The second approach aims at reducing the
375 computation time per iteration, as reported
376 in~\cite{Benall68,Jana06,Janall99,Riceall06}. 
377
378 There are many schemes for the simultaneous approximation of all roots of a given
379 polynomial. Several works on different methods and issues of root
380 finding have been reported in~\cite{Azad07, Gemignani07, Kalantari08, Skachek08, Zhancall08, Zhuall08}. However, Durand-Kerner and Ehrlich-Aberth methods are the most practical choices among
381 them~\cite{Bini04}. These two methods have been extensively
382 studied for parallelization due to their intrinsics, i.e. the
383 computations involved in both methods has some inherent
384 parallelism that can be suitably exploited by SIMD machines.
385 Moreover, they have fast rate of convergence (quadratic for the
386 Durand-Kerner and cubic for the Ehrlich-Aberth). Various parallel
387 algorithms reported for these methods can be found
388 in~\cite{Cosnard90, Freeman89,Freemanall90,Jana99,Janall99}.
389 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90} presented two parallel
390 algorithms on a local memory MIMD computer with the compute-to
391 communication time ratio O(n). However, their algorithms require
392 each processor to communicate its current approximation to all
393 other processors at the end of each iteration (synchronous). Therefore they
394 cause a high degree of memory conflict. Recently the author
395 in~\cite{Mirankar71} proposed two versions of parallel algorithm
396 for the Durand-Kerner method, and Ehrlich-Aberth method on a model of
397 Optoelectronic Transpose Interconnection System (OTIS).The
398 algorithms are mapped on an OTIS-2D torus using N processors. This
399 solution needs N processors to compute N roots, which is not
400 practical for solving polynomials with large degrees.
401 Until very recently, the literature doen not mention implementations able to compute the roots of
402 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. 
403 With the advent of CUDA (Compute Unified Device
404 Architecture), finding the roots of polynomials receives a new attention because of the new possibilities to solve higher degree polynomials in less time. 
405 In~\cite{Kahinall14} we already proposed the first implementation
406 of a root finding method on GPUs, that of the Durand-Kerner method. The main result showed
407 that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as the
408 sequential implementation on a single CPU for high degree
409 polynomials of 48000. In this paper we present a parallel implementation of Ehlisch-Aberth method on
410 GPUs, which details are discussed in the sequel.
411
412
413 \section {A CUDA parallel Ehrlich-Aberth method}
414 In the following, we describe the parallel implementation of Ehrlich-Aberth method on GPU 
415 for solving high degree polynomials. First, the hardware and software of the GPUs are presented. Then, a CUDA parallel Ehrlich-Aberth method are presented.
416
417 \subsection{Background on the GPU architecture}
418 A GPU is viewed as an accelerator for the data-parallel and
419 intensive arithmetic computations. It draws its computing power
420 from the parallel nature of its hardware and software
421 architectures. A GPU is composed of hundreds of Streaming
422 Processors (SPs) organized in several blocks called Streaming
423 Multiprocessors (SMs). It also has a memory hierarchy. It has a
424 private read-write local memory per SP, fast shared memory and
425 read-only constant and texture caches per SM and a read-write
426 global memory shared by all its SPs~\cite{NVIDIA10}.
427
428 On a CPU equipped with a GPU, all the data-parallel and intensive
429 functions of an application running on the CPU are off-loaded onto
430 the GPU in order to accelerate their computations. A similar
431 data-parallel function is executed on a GPU as a kernel by
432 thousands or even millions of parallel threads, grouped together
433 as a grid of thread blocks. Therefore, each SM of the GPU executes
434 one or more thread blocks in SIMD fashion (Single  Instruction,
435 Multiple Data) and in turn each SP of a GPU SM runs one or more
436 threads within a block in SIMT fashion (Single Instruction,
437 Multiple threads). Indeed at any given clock cycle, the threads
438 execute the same instruction of a kernel, but each of them
439 operates on different data.
440  GPUs only work on data filled in their
441 global memories and the final results of their kernel executions
442 must be communicated to their CPUs. Hence, the data must be
443 transferred in and out of the GPU. However, the speed of memory
444 copy between the GPU and the CPU is slower than the memory
445 bandwidths of the GPU memories and, thus, it dramatically affects
446 the performances of GPU computations. Accordingly, it is necessary
447 to limit as much as possible, data transfers between the GPU and its CPU during the
448 computations.
449 \subsection{Background on the CUDA Programming Model}
450
451 The CUDA programming model is similar in style to a single program
452 multiple-data (SPMD) software model. The GPU is viewed as a
453 coprocessor that executes data-parallel kernel functions. CUDA
454 provides three key abstractions, a hierarchy of thread groups,
455 shared memories, and barrier synchronization. Threads have a three
456 level hierarchy. A grid is a set of thread blocks that execute a
457 kernel function. Each grid consists of blocks of threads. Each
458 block is composed of hundreds of threads. Threads within one block
459 can share data using shared memory and can be synchronized at a
460 barrier. All threads within a block are executed concurrently on a
461 multithreaded architecture.The programmer specifies the number of
462 threads per block, and the number of blocks per grid. A thread in
463 the CUDA programming language is much lighter weight than a thread
464 in traditional operating systems. A thread in CUDA typically
465 processes one data element at a time. The CUDA programming model
466 has two shared read-write memory spaces, the shared memory space
467 and the global memory space. The shared memory is local to a block
468 and the global memory space is accessible by all blocks. CUDA also
469 provides two read-only memory spaces, the constant space and the
470 texture space, which reside in external DRAM, and are accessed via
471 read-only caches.
472
473 \section{ The implementation of Aberth method on GPU}
474 \label{sec5}
475 %%\subsection{A CUDA implementation of the Aberth's method }
476 %%\subsection{A GPU implementation of the Aberth's method }
477
478
479
480 \subsection{A sequential Aberth algorithm}
481 The main steps of Aberth method are shown in Algorithm.~\ref{alg1-seq} :
482   
483 \begin{algorithm}[H]
484 \label{alg1-seq}
485 %\LinesNumbered
486 \caption{A sequential algorithm to find roots with the Aberth method}
487
488 \KwIn{$Z^{0}$(Initial root's vector),$\varepsilon$ (error tolerance threshold),P(Polynomial to solve)}
489 \KwOut {Z(The solution root's vector)}
490
491 \BlankLine
492
493 Initialization of the coefficients of the polynomial to solve\;
494 Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
495
496 \While {$\Delta z_{max}\succ \epsilon$}{
497  Let $\Delta z_{max}=0$\;
498 \For{$j \gets 0 $ \KwTo $n$}{
499 $ZPrec\left[j\right]=Z\left[j\right]$\;
500 $Z\left[j\right]=H\left(j,Z\right)$\;
501 }
502
503 \For{$i \gets 0 $ \KwTo $n-1$}{
504 $c=\frac{\left|Z\left[i\right]-ZPrec\left[i\right]\right|}{Z\left[i\right]}$\;
505 \If{$c > \Delta z_{max}$ }{
506 $\Delta z_{max}$=c\;}
507 }
508 }
509 \end{algorithm}
510
511 ~\\ 
512 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.
513 There exists two ways to execute the iterative function that we call a Jacobi one and a Gauss-Seidel one. With the Jacobi iteration, at iteration $k+1$ we need all the previous values $z^{(k)}_{i}$ to compute the new values $z^{(k+1)}_{i}$, that is :
514
515 \begin{equation}
516 EAJ: z^{k+1}_{i}=\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.
517 \end{equation}
518
519 With the Gauss-Seidel iteration, we have:
520 \begin{equation}
521 \label{eq:Aberth-H-GS}
522 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.
523 \end{equation}
524 %%Here a finiched my revision %%
525 Using Equation.~\ref{eq:Aberth-H-GS} to update the vector solution \textit{Z}, we expect the Gauss-Seidel iteration to converge more quickly because, just as its ancestor (for solving linear systems of equations), it uses the most fresh computed roots $z^{k+1}_{i}$.
526
527 The $4^{th}$ step of the algorithm checks the convergence condition using Equation.~\ref{eq:Aberth-Conv-Cond}.
528 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.
529
530
531 \subsection{A Parallel implementation with CUDA }
532 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.
533 In the GPU, the schduler assigns the execution of this loop to a group of threads organised as a grid of blocks with block containing a number of threads. All threads within a block are executed concurrently in parallel. The instructions run on the GPU are grouped in special function called kernels. It's up to the programmer, to describe the execution context, that is the size of the Grid, the number of blocks and the number of threads per block upon the call of a given kernel, according to a special syntax defined by CUDA.
534
535 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. 
536
537 Algorithm~\ref{alg2-cuda} shows a sketch of the Aberth algorithm usind CUDA.
538
539 \begin{algorithm}[H]
540 \label{alg2-cuda}
541 %\LinesNumbered
542 \caption{CUDA Algorithm to find roots with the Aberth method}
543
544 \KwIn{$Z^{0}$(Initial root's vector),$\varepsilon$ (error
545 tolerance threshold),P(Polynomial to solve)}
546
547 \KwOut {Z(The solution root's vector)}
548
549 \BlankLine
550
551 Initialization of the coeffcients of the polynomial to solve\;
552 Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
553 Allocate and copy initial data to the GPU global memory\;
554
555 \While {$\Delta z_{max}\succ \epsilon$}{
556  Let $\Delta z_{max}=0$\;
557 $ kernel\_save(d\_z^{k-1})$\;
558 $ kernel\_update(d\_z^{k})$\;
559 $kernel\_testConverge(\Delta z_{max},d_z^{k},d_z^{k-1})$\;
560 }
561 \end{algorithm}
562 ~\\ 
563
564 After the initialisation step, all data of the root finding problem to be solved must be copied from the CPU memory to the GPU global memory, because the GPUs only access data already present in their memories. Next, all the data-parallel arithmetic operations inside the main loop \verb=(do ... while(...))= are executed as kernels by the GPU. The first kernel named \textit{save} in line 6 of Algorithm~\ref{alg2-cuda} consists in saving the vector of polynomial's root found at the previous time-step in GPU memory, in order to check the convergence of the roots after each iteration (line 8, Algorithm~\ref{alg2-cuda}).
565
566 The second kernel executes the iterative function $H$ and updates $z^{k}$, according to Algorithm~\ref{alg3-update}. We notice that the update kernel is called in two forms, separated with the value of \emph{R} which determines the radius beyond which we apply the logarithm computation of the power of a complex. 
567
568 \begin{algorithm}[H]
569 \label{alg3-update}
570 %\LinesNumbered
571 \caption{Kernel update}
572
573 \eIf{$(\left|Z^{(k)}\right|<= R)$}{
574 $kernel\_update(d\_z^{k})$\;}
575 {
576 $kernel\_update\_Log(d\_z^{k})$\;
577 }
578 \end{algorithm}
579
580 The first form executes formula \ref{eq:SimplePolynome} if the modulus of the current complex is less than the a certain value called the radius i.e. ($ |z^{k}_{i}|<= R$), else the kernel executes formulas (Eq.~\ref{deflncomplex},Eq.~\ref{defexpcomplex}). The radius $R$ is evaluated as :
581
582 $$R = \exp( \log(DBL\_MAX) / (2*n) )$$ where $DBL\_MAX$ stands for the maximum representable double value.
583
584 The last kernel verifies the convergence of the roots after each update of $Z^{(k)}$, according to formula. We used the functions of the CUBLAS Library (CUDA Basic Linear Algebra Subroutines) to implement this kernel. 
585
586 The kernels terminate it computations when all the roots converge. Finally, the solution of the root finding problem is copied back from GPU global memory to CPU memory. We use the communication functions of CUDA for the memory allocation in the GPU \verb=(cudaMalloc())= and for data transfers from the CPU memory to the GPU memory \verb=(cudaMemcpyHostToDevice)=
587 or from GPU memory to CPU memory \verb=(cudaMemcpyDeviceToHost))=. 
588 %%HIER END MY REVISIONS (SIDER)
589 \section{Experimental study}
590 \label{sec6}
591 %\subsection{Definition of the used polynomials }
592 We study two categories of polynomials : the sparse polynomials and the full polynomials.
593 \paragraph{A sparse polynomial}:is a polynomial for which only some coefficients are not null. We use in the following polynomial for which the roots are distributed on 2 distinct circles :
594 \begin{equation}
595         \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})
596 \end{equation}
597
598
599 \paragraph{A full polynomial}:is in contrast, a polynomial for which all the coefficients are not null. the second form used to obtain a full polynomial is:
600 %%\begin{equation}
601         %%\forall \alpha_{i} \in C,\forall n_{i}\in N^{*}; P(z)= \sum^{n}_{i=1}(z^{n^{i}}.a_{i})
602 %%\end{equation}
603
604 \begin{equation}
605      {\Large \forall a_{i} \in C, i\in N;  p(x)=\sum^{n}_{i=0} a_{i}.x^{i}} 
606 \end{equation}
607 With this form, we can have until \textit{n} non zero terms whereas the sparse ones have just two non zero terms.
608
609 %\subsection{The study condition} 
610 The our experiences results concern two parameters which are
611 the polynomial degree and the execution time of our program
612 to converge on the solution. The polynomial degree allows us
613 to validate that our algorithm is powerful with high degree
614 polynomials. The execution time remains the
615 element-key which justifies our work of parallelization.
616         For our tests we used a CPU Intel(R) Xeon(R) CPU
617 E5620@2.40GHz and a GPU K40 (with 6 Go of ram).
618
619
620 %\subsection{Comparative study}
621 In this section, we discuss the performance Ehrlich-Aberth method  of root finding polynomials implemented on CPUs and on GPUs.
622
623 We performed a set of experiments on the sequential and the parallel algorithms, for both sparse and full polynomials and different sizes. We took into account the execution time, the  polynomial size and the number of threads per block performed by sum or each experiment on CPUs and on GPUs.
624
625 All experimental results obtained from the simulations are made in double precision data, for a convergence tolerance of the methods set to $10^{-7}$. Since we were more interested in the comparison of the performance behaviors of Ehrlich-Aberth and Durand-Kerner methods on CPUs versus on GPUs. The initialization values of the vector solution of the Ehrlich-Aberth method are given in section 2.2. 
626 \subsection{The execution time in seconds of Ehrlich-Aberth algorithm on CPU OpenMP (1 core, 4 cores) vs. on a Tesla GPU}
627
628
629 %\begin{figure}[H]
630 %\centering
631  % \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/Compar_EA_algorithm_CPU_GPU}
632 %\caption{The execution time in seconds of Ehrlich-Aberth algorithm on CPU core vs. on a Tesla GPU}
633 %\label{fig:01}
634 %\end{figure}
635
636 \begin{figure}[H]
637 \centering
638   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/openMP-GPU}
639 \caption{The execution time in seconds of Ehrlich-Aberth algorithm on CPU OpenMP (1 core, 4 cores) vs. on a Tesla GPU}
640 \label{fig:01}
641 \end{figure}
642 Figure 1 %%show a comparison of execution time between the parallel and sequential version of the Ehrlich-Aberth algorithm with sparse polynomial exceed 100000, 
643 We report respectively the execution time of the Ehrlich-Aberth method implemented initially on one core of the Quad-Core Xeon E5620 CPU than on four cores of the same machine with \textit{OpenMP} platform and the execution time of the same method implemented on one Nvidia Tesla K40c GPU, with sparse polynomial degrees ranging from 100,000 to 1,000,000. We can see that the method implemented on the GPU are faster than those implemented on the CPU (4 cores). This is due to the GPU ability to compute the data-parallel functions faster than its CPU counterpart. However, the execution time for the CPU(4 cores) implementation exceed 5,000 s for 250,000 degrees polynomials, in counterpart  the GPU implementation for the same polynomials not reach 100 s, more than again, with an execution time under to 2500 s CPU (4 cores) implementation can resolve polynomials degrees of only 200,000, whereas GPU implementation can resolve polynomials more than 1,000,000 degrees. We can also notice that the GPU implementation are almost 47 faster then those implementation on the CPU(4 cores). However the CPU(4 cores) implementation are almost 4 faster then his implementation on CPU (1 core). Furthermore, we verify that the number of iterations and the convergence precision is the same for the both CPU and GPU implementation. %This reduction of time allows us to compute roots of polynomial of more important degree at the same time than with a CPU.
644  
645  %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.
646
647 \subsection{Influence of the number of threads on the execution times of different polynomials (sparse and full)}
648 To optimize the performances of an algorithm on a GPU, it is necessary to maximize the use of cores GPU (maximize the number of threads executed in parallel) and to optimize the use of the various memoirs GPU. In fact, it is interesting to see the influence of the number of threads per block on the execution time of Ehrlich-Aberth algorithm. 
649 For that, we notice that the maximum number of threads per block for the Nvidia Tesla K40 GPU is 1024, so we varied the number of threads per block from 8 to 1024. We took into account the execution time for both sparse and full of 10 different polynomials of size 50000 and 10 different polynomials of size 500000 degrees.
650
651 \begin{figure}[H]
652 \centering
653   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/influence_nb_threads}
654 \caption{Influence of the number of threads on the execution times of different polynomials (sparse and full)}
655 \label{fig:01}
656 \end{figure}
657
658 The figure 2 show that, the best execution time for both sparse and full polynomial are given when the threads number varies between 64 and 256 threads per bloc. We notice that with small polynomials the best number of threads per block is 64, Whereas, the large polynomials the best number of threads per block is 256. However,In the following experiments we specify that the number of thread by block is 256.
659
660 \subsection{The impact of exp-log solution to compute very high degrees of  polynomial}
661
662 In this experiment we report the performance of log.exp solution describe in ~\ref{sec2} to compute very high degrees polynomials.   
663 \begin{figure}[H]
664 \centering
665   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/sparse_full_explog}
666 \caption{The impact of exp-log solution to compute very high degrees of  polynomial.}
667 \label{fig:01}
668 \end{figure}
669
670 The figure 3, show a comparison between the execution time of the Ehrlich-Aberth algorithm applying log-exp solution and the execution time of the Ehrlich-Aberth algorithm without applying log-exp solution, with full and sparse polynomials degrees. We can see that the execution time for the both algorithms are the same while the full polynomials degrees are less than 4000 and full polynomials are less than 150,000. After,we show clearly that the classical version of Ehrlich-Aberth algorithm (without applying log.exp) stop to converge and can not solving any polynomial sparse or full. In counterpart, the new version of Ehrlich-Aberth algorithm (applying log.exp solution) can solve very high and large full polynomial exceed 100,000 degrees.
671
672 in fact, when the modulus of the roots are up than \textit{R} given in ~\ref{R},this exceed the limited number in the mantissa of floating points representations and can not compute the iterative function given in ~\ref{eq:Aberth-H-GS} to obtain the root solution, who justify the divergence of the classical Ehrlich-Aberth algorithm. However, applying log.exp solution given in ~\ref{sec2} took into account the limit of floating using the iterative function in(Eq.~\ref{Log_H1},Eq.~\ref{Log_H2} and allows to solve a very large polynomials degrees . 
673
674
675 %\begin{figure}[H]
676 \%centering
677   %\includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/log_exp_Sparse}
678 %\caption{The impact of exp-log solution to compute very high degrees of  polynomial.}
679 %\label{fig:01}
680 %\end{figure}
681
682 %we report the performances of the exp.log for the Ehrlich-Aberth algorithm for solving very high degree of polynomial. 
683
684  
685 \subsection{A comparative study between Ehrlich-Aberth algorithm and Durand-kerner algorithm}
686 In this part, we are interesting to compare the simultaneous methods, Ehrlich-Aberth and Durand-Kerner in parallel computer using GPU. We took into account the execution time, the number of iteration and the polynomial's size. for the both sparse and full polynomials.  
687
688 \begin{figure}[H]
689 \centering
690   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK}
691 \caption{The execution time of Ehrlich-Aberth versus Durand-Kerner algorithm on GPU}
692 \label{fig:01}
693 \end{figure}
694
695 This figure show the execution time of the both algorithm EA and DK with sparse polynomial degrees ranging from 1000 to 1000000. We can see that the Ehrlich-Aberth algorithm are faster than Durand-Kerner algorithm, with an average of 25 times as fast. Then, when degrees of polynomial exceed 500000 the execution time with EA is of the order 100 whereas DK passes in the order 1000. %with double precision not exceed $10^{-5}$.
696
697 \begin{figure}[H]
698 \centering
699   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK_nbr}
700 \caption{The iteration number of Ehrlich-Aberth versus Durand-Kerner algorithm}
701 \label{fig:01}
702 \end{figure}
703
704 %\subsubsection{The execution time of Ehrlich-Aberth algorithm on OpenMP(1 core, 4 cores) vs. on a Tesla GPU}
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711 \section{Conclusion and perspective}
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713 \label{sec7}
714 \bibliography{mybibfile}
715
716 \end{document}