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[kahina_paper1.git] / paper.tex
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20
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52
53 \begin{document}
54
55 \begin{frontmatter}
56
57 \title{Parallel 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]{Ghidouche Kahina\corref{mycorrespondingauthor}}
66 %%\ead[url]{kahina.ghidouche@gmail.com}
67 \cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
68 \ead{kahina.ghidouche@gmail.com}
69
70 \author[mysecondaryaddress]{Couturier Raphael\corref{mycorrespondingauthor}}
71 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
72 \ead{raphael.couturier@univ-fcomte.fr}
73
74 \author[mymainaddress]{Abderrahmane Sider\corref{mycorrespondingauthor}}
75 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
76 \ead{ar.sider@univ-bejaia.dz}
77
78 \address[mymainaddress]{Department of informatics,University of Bejaia,Algeria}
79 \address[mysecondaryaddress]{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Compté }
80
81 \begin{abstract}
82 in this article we present a parallel implementation
83 of the Aberth algorithm for the problem root finding for
84 high degree polynomials on GPU architecture (Graphics
85 Processing Unit).
86 \end{abstract}
87
88 \begin{keyword}
89 root finding of polynomials, high degree, iterative methods, Durant-Kerner, GPU, CUDA, CPU , Parallelization
90 \end{keyword}
91
92 \end{frontmatter}
93
94 \linenumbers
95
96 \section{The problem of finding roots of a polynomial}
97 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 $\alpha_{i},\textit{i=1,...,n}$ 
98 %%\begin{center}
99 \begin{equation}
100      {\Large p(x)=\sum_{i=0}^{n}{a_{i}x^{i}}=a_{n}\prod_{i=1}^{n}(x-\alpha_{i}), a_{0} a_{n}\neq 0}.
101 \end{equation}
102 %%\end{center}
103
104 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
105 vector $x$ such that
106 \begin{center}
107 $x=g(x)$
108 \end{center}
109 where $g : C^{n}\longrightarrow C^{n}$. Usually, we can easily
110 rewrite this fixed-point problem as a root-finding problem by
111 setting $f(x) = x-g(x)$ and likewise we can recast the
112 root-finding problem into a fixed-point problem by setting
113 \begin{center}
114 $g(x)= f(x)-x$.
115 \end{center}
116
117 Often it is not be possible to solve such nonlinear equation
118 root-finding problems analytically. When this occurs we turn to
119 numerical methods to approximate the solution. 
120 Generally speaking, algorithms for solving problems can be divided into
121 two main groups: direct methods and iterative methods.
122 \\
123 Direct methods exist only for $n \leq 4$, solved in closed form by G. Cardano
124 in the mid-16th century. However, N.H. Abel in the early 19th
125 century showed that polynomials of degree five or more could not
126 be solved by  directs methods. Since then, mathmathicians have
127 focussed on numerical (iterative) methods such as the famous
128 Newton's method, Bernoulli's method of the 18th, and Graeffe's.
129
130 Later on, with the advent of electronic computers, other methods has
131 been developed such as the Jenkins-Traub method, Larkin's method,
132 Muller's method, and several methods for simultaneous
133 approximation of all the roots, starting with the Durand-Kerner (DK)
134 method :
135 %%\begin{center}
136 \begin{equation}
137  Z_{i}=Z_{i}-\frac{P(Z_{i})}{\prod_{i\neq j}(z_{i}-z_{j})}
138 \end{equation}
139 %%\end{center}
140
141 This formula is mentioned for the first time by
142 Weiestrass~\cite{Weierstrass03} as part of the fundamental theorem
143 of Algebra and is rediscovered by Ilieff~\cite{Ilie50},
144 Docev~\cite{Docev62}, Durand~\cite{Durand60},
145 Kerner~\cite{Kerner66}. Another method discovered by
146 Borsch-Supan~\cite{ Borch-Supan63} and also described and brought
147 in the following form by Ehrlich~\cite{Ehrlich67} and
148 Aberth~\cite{Aberth73} uses a different iteration formula given as fellows :
149 %%\begin{center}
150 \begin{equation}
151  Z_{i}=Z_{i}-\frac{1}{{\frac {P'(Z_{i})} {P(Z_{i})}}-{\sum_{i\neq j}(z_{i}-z_{j})}}.
152 \end{equation}
153 %%\end{center}
154
155 Aberth, Ehrlich and Farmer-Loizou~\cite{Loizon83} have proved that
156 the Ehrlisch-Aberth method (EA) has a cubic order of convergence for simple roots whereas the Durand-Kerner has a quadratic order of convergence.
157
158
159 Iterative methods raise several problem when implemented e.g.
160 specific sizes of numbers must be used to deal with this
161 difficulty. Moreover, the convergence time of iterative methods
162 drastically increases like the degrees of high polynomials. It is expected that the
163 parallelization of these algorithms will improve the convergence
164 time.
165
166 Many authors have dealt with the parallelisation of
167 simultaneous methods, i.e. that find all the zeros simultaneously. 
168 Freeman~\cite{Freeman89} implemeted and compared DK, EA and another method of the fourth order proposed
169 by Farmer and Loizou~\cite{Loizon83}, on a 8- processor linear
170 chain, for polynomials of degree up to 8. The third method often
171 diverges, but the first two methods have speed-up 5.5
172 (speed-up=(Time on one processor)/(Time on p processors)). Later,
173 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90}  considered asynchronous
174 algorithms, in which each processor continues to update its
175 approximations even though the latest values of other $z_i((k))$
176 have not been received from the other processors, in contrast with synchronous algorithms where it would wait those values before making a new iteration.
177 Couturier et al. ~\cite{Raphaelall01} proposed two methods of parallelisation for
178 a shared memory architecture and for distributed memory one. They were able to
179 compute the roots of polynomials of degree 10000 in 430 seconds with only 8
180 personal computers and 2 communications per iteration. Comparing to the sequential implementation
181 where it takes up to 3300 seconds to obtain the same results, the authors show an interesting speedup, indeed.
182
183 Very few works had been since this last work until the appearing of
184 the Compute Unified Device Architecture (CUDA)~\cite{CUDA10}, a
185 parallel computing platform and a programming model invented by
186 NVIDIA. The computing power of GPUs (Graphics Processing Unit) has exceeded that of
187 of CPUs. However, CUDA adopts a totally new computing architecture to use the
188 hardware resources provided by GPU in order to offer a stronger
189 computing ability to the massive data computing.
190
191
192 Ghidouche et al. ~\cite{Kahinall14} proposed an implementation of the
193 Durand-Kerner method on GPU. Their main
194 result showed that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as
195 the sequential implementation on a single CPU for high degree
196 polynomials of about 48000. To our knowledge, it is the first time such high degree polynomials are numerically solved.
197
198
199 In this paper, we focus on the implementation of the Aberth method for
200 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}.
201 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.  
202
203 \section{The Sequential Aberth method}
204 \label{sec1}
205 A cubically convergent iteration method for finding zeros of
206 polynomials was proposed by O.Aberth~\cite{Aberth73}. The Aberth
207 method is a purely algebraic derivation. To illustrate the
208 derivation, we let $w_{i}(z)$ be the product of linear factors 
209
210 \begin{equation}
211 w_{i}(z)=\prod_{j=1,j \neq i}^{n} (z-x_{j})
212 \end{equation}
213
214 And let a rational function $R_{i}(z)$ be the correction term of the
215 Weistrass method~\cite{Weierstrass03}
216
217 \begin{equation}
218 R_{i}(z)=\frac{p(z)}{w_{i}(z)} , i=1,2,...,n.
219 \end{equation}
220
221 Differentiating the rational function $R_{i}(z)$ and applying the
222 Newton method, we have:
223
224 \begin{equation}
225 \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
226 \end{equation}
227
228 Substituting $x_{j}$ for z we obtain the Aberth iteration method.
229
230 In the fellowing we present the main stages of the running of the Aberth method.
231
232 \subsection{Polynomials Initialization}
233 The initialization of a polynomial p(z) is done by setting each of the $n$ complex coefficients $a_{i}$
234 :
235
236 \begin{equation}
237 \label{eq:SimplePolynome}
238   p(z)=\sum{a_{i}z^{n-i}} , a_{n} \neq 0,a_{0}=1, a_{i}\subset C
239 \end{equation}
240
241
242 \subsection{Vector $z^{(0)}$ Initialization}
243
244 Like for any iterative method, we need to choose $n$ initial guess points $z^{(0)}_{i}, i = 1, . . . , n.$
245 The initial guess is very important since the number of steps needed by the iterative method to reach
246 a given approximation strongly depends on it.
247 In~\cite{Aberth73} the Aberth iteration is started by selecting $n$
248 equi-spaced points on a circle of center 0 and radius r, where r is
249 an upper bound to the moduli of the zeros. Later, Bini et al.~\cite{Bini96}
250 performed this choice by selecting complex numbers along different
251 circles and relies on the result of~\cite{Ostrowski41}.
252
253 \begin{equation}
254 \label{eq:radiusR}
255 %%\begin{align}
256 \sigma_{0}=\frac{u+v}{2};u=\frac{\sum_{i=1}^{n}u_{i}}{n.max_{i=1}^{n}u_{i}};
257 v=\frac{\sum_{i=0}^{n-1}v_{i}}{n.min_{i=0}^{n-1}v_{i}};\\
258 %%\end{align}
259 \end{equation}
260 Where:
261 \begin{equation}
262 u_{i}=2.|a_{i}|^{\frac{1}{i}};
263 v_{i}=\frac{|\frac{a_{n}}{a_{i}}|^{\frac{1}{n-i}}}{2}.
264 \end{equation}
265
266 \subsection{Iterative Function $H_{i}$}
267 The operator used by the Aberth method is corresponding to the
268 following equation which will enable the convergence towards
269 polynomial solutions, provided all the roots are distinct.
270
271 \begin{equation}
272 H_{i}(z)=z_{i}-\frac{1}{\frac{p^{'}(z_{i})}{p(z_{i})}-\sum_{j\neq
273 i}{\frac{1}{z_{i}-z_{j}}}}
274 \end{equation}
275
276 \subsection{Convergence Condition}
277 The convergence condition determines the termination of the algorithm. It consists in stopping from running
278 the iterative function $H_{i}(z)$ when the roots are sufficiently stable. We consider that the method
279 converges sufficiently when :
280
281 \begin{equation}
282 \label{eq:Aberth-Conv-Cond}
283 \forall i \in
284 [1,n];\frac{z_{i}^{(k)}-z_{i}^{(k-1)}}{z_{i}^{(k)}}<\xi
285 \end{equation}
286
287
288 \section{Improving the Ehrlisch-Aberth Method}
289 \label{sec2}
290 The Ehrlisch-Aberth method implementation suffers of overflow problems. This
291 situation occurs, for instance, in the case where a polynomial
292 having positive coefficients and a large degree is computed at a
293 point $\xi$ where $|\xi| > 1$, where $|x|$ stands for the modolus of a complex $x$. Indeed, the limited number in the
294 mantissa of floating points representations makes the computation of p(z) wrong when z
295 is large. For example $(10^{50}) +1+ (- 10^{50})$ will give the wrong result
296 of $0$ instead of $1$. Consequently, we can not compute the roots
297 for large degrees. This problem was early discussed in
298 ~\cite{Karimall98} for the Durand-Kerner method, the authors
299 propose to use the logarithm and the exponential of a complex in order to compute the power at a high exponent.
300
301 \begin{equation}
302 \label{deflncomplex}
303  \forall(x,y)\in R^{*2}; \ln (x+i.y)=\ln(x^{2}+y^{2})
304 2+i.\arcsin(y\sqrt{x^{2}+y^{2}})_{\left] -\pi, \pi\right[ }
305 \end{equation}
306 %%\begin{equation}
307 \begin{align}
308 \label{defexpcomplex}
309  \forall(x,y)\in R^{*2}; \exp(x+i.y) & = \exp(x).\exp(i.y)\\
310                                      & =\exp(x).\cos(y)+i.\exp(x).\sin(y)\label{defexpcomplex}
311 \end{align}
312 %%\end{equation}
313
314 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
315 manipulate lower absolute values and the roots for large polynomial's degrees can be looked for successfully~\cite{Karimall98}.
316
317 Applying this solution for the Aberth method we obtain the
318 iteration function with logarithm:
319 %%$$ \exp \bigl(  \ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'}))- \ln(1- \exp(\ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'})+\ln\sum_{i\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}})$$
320 \begin{equation}
321 H_{i}(z)=z_{i}^{k}-\exp \left(\ln \left(
322 p(z_{k})\right)-\ln\left(p(z_{k}^{'})\right)- \ln
323 \left(1-Q(z_{k})\right)\right),
324 \end{equation}
325
326 where:
327
328 \begin{equation}
329 Q(z_{k})=\exp\left( \ln (p(z_{k}))-\ln(p(z_{k}^{'}))+\ln \left(
330 \sum_{k\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}}\right)\right).
331 \end{equation}
332
333 This solution is applied when it is necessary ??? When ??? (SIDER)
334
335 \section{The implementation of simultaneous methods in a parallel computer}
336 \label{secStateofArt}   
337 The main problem of simultaneous methods is that the necessary
338 time needed for convergence is increased when we increase
339 the degree of the polynomial. The parallelisation of these
340 algorithms is expected to improve the convergence time.
341 Authors usually adopt one of the two following approaches to parallelize root
342 finding algorithms. The first approach aims at reducing the total number of
343 iterations as by Miranker
344 ~\cite{Mirankar68,Mirankar71}, Schedler~\cite{Schedler72} and
345 Winogard~\cite{Winogard72}. The second approach aims at reducing the
346 computation time per iteration, as reported
347 in~\cite{Benall68,Jana06,Janall99,Riceall06}. 
348
349 There are many schemes for the simultaneous approximation of all roots of a given
350 polynomial. Several works on different methods and issues of root
351 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
352 them~\cite{Bini04}. These two methods have been extensively
353 studied for parallelization due to their intrinsics, i.e. the
354 computations involved in both methods has some inherent
355 parallelism that can be suitably exploited by SIMD machines.
356 Moreover, they have fast rate of convergence (quadratic for the
357 Durand-Kerner and cubic for the Ehrlisch-Aberth). Various parallel
358 algorithms reported for these methods can be found
359 in~\cite{Cosnard90, Freeman89,Freemanall90,,Jana99,Janall99}.
360 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90} presented two parallel
361 algorithms on a local memory MIMD computer with the compute-to
362 communication time ratio O(n). However, their algorithms require
363 each processor to communicate its current approximation to all
364 other processors at the end of each iteration (synchronous). Therefore they
365 cause a high degree of memory conflict. Recently the author
366 in~\cite{Mirankar71} proposed two versions of parallel algorithm
367 for the Durand-Kerner method, and Ehrlisch-Aberth method on a model of
368 Optoelectronic Transpose Interconnection System (OTIS).The
369 algorithms are mapped on an OTIS-2D torus using N processors. This
370 solution needs N processors to compute N roots, which is not
371 practical for solving polynomials with large degrees.
372 Until very recently, the literature doen not mention implementations able to compute the roots of
373 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. 
374 With the advent of CUDA (Compute Unified Device
375 Architecture), finding the roots of polynomials receives a new attention because of the new possibilities to solve higher degree polynomials in less time. 
376 In~\cite{Kahinall14} we already proposed the first implementation
377 of a root finding method on GPUs, that of the Durand-Kerner method. The main result showed
378 that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as the
379 sequential implementation on a single CPU for high degree
380 polynomials of 48000. In this paper we present a parallel implementation of Ehlisch-Aberth method on
381 GPUs, which details are discussed in the sequel.
382
383
384 \section {A CUDA parallel Ehrlisch-Aberth method}
385
386 \subsection{Background on the GPU architecture}
387 A GPU is viewed as an accelerator for the data-parallel and
388 intensive arithmetic computations. It draws its computing power
389 from the parallel nature of its hardware and software
390 architectures. A GPU is composed of hundreds of Streaming
391 Processors (SPs) organized in several blocks called Streaming
392 Multiprocessors (SMs). It also has a memory hierarchy. It has a
393 private read-write local memory per SP, fast shared memory and
394 read-only constant and texture caches per SM and a read-write
395 global memory shared by all its SPs~\cite{NVIDIA10}.
396
397 On a CPU equipped with a GPU, all the data-parallel and intensive
398 functions of an application running on the CPU are off-loaded onto
399 the GPU in order to accelerate their computations. A similar
400 data-parallel function is executed on a GPU as a kernel by
401 thousands or even millions of parallel threads, grouped together
402 as a grid of thread blocks. Therefore, each SM of the GPU executes
403 one or more thread blocks in SIMD fashion (Single  Instruction,
404 Multiple Data) and in turn each SP of a GPU SM runs one or more
405 threads within a block in SIMT fashion (Single Instruction,
406 Multiple threads). Indeed at any given clock cycle, the threads
407 execute the same instruction of a kernel, but each of them
408 operates on different data.
409  GPUs only work on data filled in their
410 global memories and the final results of their kernel executions
411 must be communicated to their CPUs. Hence, the data must be
412 transferred in and out of the GPU. However, the speed of memory
413 copy between the GPU and the CPU is slower than the memory
414 bandwidths of the GPU memories and, thus, it dramatically affects
415 the performances of GPU computations. Accordingly, it is necessary
416 to limit as much as possible, data transfers between the GPU and its CPU during the
417 computations.
418 \subsection{Background on the CUDA Programming Model}
419
420 The CUDA programming model is similar in style to a single program
421 multiple-data (SPMD) software model. The GPU is viewed as a
422 coprocessor that executes data-parallel kernel functions. CUDA
423 provides three key abstractions, a hierarchy of thread groups,
424 shared memories, and barrier synchronization. Threads have a three
425 level hierarchy. A grid is a set of thread blocks that execute a
426 kernel function. Each grid consists of blocks of threads. Each
427 block is composed of hundreds of threads. Threads within one block
428 can share data using shared memory and can be synchronized at a
429 barrier. All threads within a block are executed concurrently on a
430 multithreaded architecture.The programmer specifies the number of
431 threads per block, and the number of blocks per grid. A thread in
432 the CUDA programming language is much lighter weight than a thread
433 in traditional operating systems. A thread in CUDA typically
434 processes one data element at a time. The CUDA programming model
435 has two shared read-write memory spaces, the shared memory space
436 and the global memory space. The shared memory is local to a block
437 and the global memory space is accessible by all blocks. CUDA also
438 provides two read-only memory spaces, the constant space and the
439 texture space, which reside in external DRAM, and are accessed via
440 read-only caches.
441
442 \subsection{ The implementation of Aberth method on GPU}
443 %%\subsection{A CUDA implementation of the Aberth's method }
444 %%\subsection{A GPU implementation of the Aberth's method }
445
446
447
448 \subsubsection{A sequential Aberth algorithm}
449 The main steps of Aberth method are shown in Algorithm.~\ref{alg1-seq} :
450   
451 \begin{algorithm}[H]
452 \label{alg1-seq}
453 %\LinesNumbered
454 \caption{A sequential algorithm to find roots with the Aberth method}
455
456 \KwIn{$Z^{0}$(Initial root's vector),$\varepsilon$ (error
457 tolerance threshold),P(Polynomial to solve)}
458
459 \KwOut {Z(The solution root's vector)}
460
461 \BlankLine
462
463 Initialization of the coefficients of the polynomial to solve\;
464 Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
465
466 \While {$\Delta z_{max}\succ \epsilon$}{
467  Let $\Delta z_{max}=0$\;
468 \For{$j \gets 0 $ \KwTo $n$}{
469 $ZPrec\left[j\right]=Z\left[j\right]$\;
470 $Z\left[j\right]=H\left(j,Z\right)$\;
471 }
472
473 \For{$i \gets 0 $ \KwTo $n-1$}{
474 $c=\frac{\left|Z\left[i\right]-ZPrec\left[i\right]\right|}{Z\left[i\right]}$\;
475 \If{$c\succ\Delta z_{max}$ }{
476 $\Delta z_{max}$=c\;}
477 }
478 }
479 \end{algorithm}
480
481 ~\\ 
482 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.
483 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 :
484
485 \begin{equation}
486 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.
487 \end{equation}
488
489 With the the Gauss-seidel iteration, we have:
490 \begin{equation}
491 \label{eq:Aberth-H-GS}
492 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.
493 \end{equation}
494
495 Using Equation.~\ref{eq:Aberth-H-GS} for the update sub-step of $H(i,z^{k+1})$, we expect the Gauss-Seidel iteration to converge more quickly because, just as its ancestor (for solving linear systems of equations), it uses the most fresh computed roots $z^{k+1}_{i}$.
496
497 The $4^{th}$ step of the algorithm checks the convergence condition using Equation.~\ref{eq:Aberth-Conv-Cond}.
498 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.
499
500 \paragraph{The execution time}
501 Let $T_{i}(n)$ be the time to compute one new root value at step 3, $T_{i}$ depends on the polynomial's degree $n$. When $n$ increase $T_{i}(n)$ increases too. We need $n.T_{i}(n)$ to compute all the new values in one iteration at step 3.
502
503 Let $T_{j}$ be the time needed to check the convergence of one root value at the step 4, so we need $n.T_{j}$ to compute global convergence condition in each iteration at step 4.
504
505 Thus, the execution time for both steps 3 and 4 is:
506 \begin{equation}
507 T_{iter}=n(T_{i}(n)+T_{j})+O(n).
508 \end{equation}
509 Let $K$ be the number of iterations necessary to compute all the roots, so the total execution time $T$ can be given as:
510
511 \begin{equation}
512 \label{eq:T-global}
513 T=\left[n\left(T_{i}(n)+T_{j}\right)+O(n)\right].K
514 \end{equation}
515 The execution time increases with the increasing of the polynomial degree, which justifies to parallelise these steps  in order to reduce the global execution time. In the following,  we explain how we did parrallelize these steps on a GPU architecture using the CUDA platform.
516
517 \subsubsection{A Parallel implementation with CUDA }
518 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.
519 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.
520
521 Let N be the number of threads executed in parallel,  Equation.~\ref{eq:T-global} becomes then : 
522
523 \begin{equation}
524 T=\left[\frac{n}{N}\left(T_{i}(n)+T_{j}\right)+O(n)\right].K.
525 \end{equation}
526
527 In theory, total execution time $T$ on GPU is speed up $N$ times as  $T$ on CPU. We will see at what extent this is true in the experimental study hereafter. 
528 ~\\
529 ~\\
530 In CUDA programming, all the instructions of the  \verb=for= loop are executed by the GPU as a kernel. A kernel is a function written in CUDA and defined by the  \verb=__global__= qualifier added before a usual ``C`` function, which instructs the compiler to generate appropriate code to pass it to the CUDA runtime in order to be executed on the GPU. 
531
532 Algorithm~\ref{alg2-cuda} shows a sketch of the Aberth algorithm usind CUDA.
533
534 \begin{algorithm}[H]
535 \label{alg2-cuda}
536 %\LinesNumbered
537 \caption{CUDA Algorithm to find roots with the Aberth method}
538
539 \KwIn{$Z^{0}$(Initial root's vector),$\varepsilon$ (error
540 tolerance threshold),P(Polynomial to solve)}
541
542 \KwOut {Z(The solution root's vector)}
543
544 \BlankLine
545
546 Initialization of the coeffcients of the polynomial to solve\;
547 Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
548 Allocate and copy initial data to the GPU global memory\;
549
550 \While {$\Delta z_{max}\succ \epsilon$}{
551  Let $\Delta z_{max}=0$\;
552 $ kernel\_save(d\_z^{k-1})$\;
553 $ kernel\_update(d\_z^{k})$\;
554 $kernel\_testConverge(\Delta z_{max},d_z^{k},d_z^{k-1})$\;
555 }
556 \end{algorithm}
557 ~\\ 
558
559 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}).
560
561 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. 
562
563 \begin{algorithm}[H]
564 \label{alg3-update}
565 %\LinesNumbered
566 \caption{A global Algorithm for the iterative function}
567
568 \eIf{$(\left|Z^{(k)}\right|<= R)$}{
569 $kernel\_update(d\_z^{k})$\;}
570 {
571 $kernel\_update\_Log(d\_z^{k})$\;
572 }
573 \end{algorithm}
574
575 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 :
576
577 $$R = \exp( \log(DBL\_MAX) / (2*n) )$$ where $DBL\_MAX$ stands for the maximum representable double value.
578
579 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. 
580
581 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)=
582 or from GPU memory to CPU memory \verb=(cudaMemcpyDeviceToHost))=. 
583 %%HIER END MY REVISIONS (SIDER)
584 \section{Experimental study}
585
586 \subsection{Definition of the polynomial used}
587 We study two forms of  polynomials the sparse polynomials and the full polynomials:
588 \paragraph{Sparse polynomial}: in this following form, the roots are distributed on 2 distinct circles:
589 \begin{equation}
590         \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})
591 \end{equation}
592 This form makes it possible to associate roots having two
593 different modules and thus to work on a polynomial constitute
594 of four non zero terms.
595
596 \paragraph{Full polynomial}: the second form used to obtain a full polynomial is:
597 %%\begin{equation}
598         %%\forall \alpha_{i} \in C,\forall n_{i}\in N^{*}; P(z)= \sum^{n}_{i=1}(z^{n^{i}}.a_{i})
599 %%\end{equation}
600
601 \begin{equation}
602      {\Large \forall a_{i} \in C, i\in N;  p(x)=\sum^{n}_{i=0} a_{i}.x^{i}} 
603 \end{equation}
604 with this form, we can have until \textit{n} non zero terms.
605
606 \subsection{The study condition} 
607 The our experiences results concern two parameters which are
608 the polynomial degree and the execution time of our program
609 to converge on the solution. The polynomial degree allows us
610 to validate that our algorithm is powerful with high degree
611 polynomials. The execution time remains the
612 element-key which justifies our work of parallelization.
613         For our tests we used a CPU Intel(R) Xeon(R) CPU
614 E5620@2.40GHz and a GPU K40 (with 6 Go of ram).
615
616
617 \subsection{Comparative study}
618 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....
619
620 \subsubsection{Aberth algorithm on CPU and GPU}
621
622 %\begin{table}[!ht]
623 %       \centering
624 %               \begin{tabular} {|R{2cm}|L{2.5cm}|L{2.5cm}|L{1.5cm}|L{1.5cm}|}
625 %                       \hline Polynomial's degrees & $T_{exe}$ on CPU & $T_{exe}$ on GPU & CPU iteration & GPU iteration\\
626 %                               \hline 5000 & 1.90 & 0.40 & 18 & 17\\
627 %                               \hline 10000 & 172.723 & 0.59 & 21 & 24\\
628 %                               \hline 20000 & 172.723 & 1.52 & 21 & 25\\
629 %                               \hline 30000 & 172.723 & 2.77 & 21 & 33\\
630 %                               \hline 50000 & 172.723 & 3.92 & 21 & 18\\
631 %                               \hline 500000 & $>$1h & 497.109 &  & 24\\
632 %                               \hline 1000000 & $>$1h & 1,524.51& & 24\\
633 %                               \hline 
634 %               \end{tabular}
635 %       \caption{the convergence of Aberth algorithm}
636 %       \label{tab:theConvergenceOfAberthAlgorithm}
637 %\end{table}
638  
639 \begin{figure}[H]
640 \centering
641   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/Compar_EA_algorithm_CPU_GPU}
642 \caption{Aberth algorithm on CPU and GPU}
643 \label{fig:01}
644 \end{figure}
645
646
647 \subsubsection{The impact of the thread's number into the convergence of Aberth  algorithm}
648
649 %\begin{table}[!h]
650 %       \centering
651 %               \begin{tabular} {|R{2.5cm}|L{2.5cm}|L{2.5cm}|}
652 %                       \hline Thread's numbers & Execution time &Number of iteration\\
653 %                               \hline 1024 & 523 & 27\\
654 %                               \hline 512 & 449.426 & 24\\
655 %                               \hline 256 & 440.805 & 24\\
656 %                               \hline 128 & 456.175 & 22\\
657 %                               \hline 64 & 472.862 & 23\\
658 %                               \hline 32 & 830.152 & 24\\
659 %                               \hline 8 & 2632.78 & 23 \\
660 %                               \hline
661 %                               \end{tabular}
662 %                               \caption{The impact of the thread's number into the convergence of Aberth  algorithm}
663 %       \label{tab:Theimpactofthethread'snumberintotheconvergenceofAberthalgorithm}
664 %               
665 %\end{table}
666
667
668 \begin{figure}[H]
669 \centering
670   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/influence_nb_threads}
671 \caption{Influence of the number of threads on the execution times of different polynomials (sparse and full)}
672 \label{fig:01}
673 \end{figure}
674
675 \subsubsection{The impact of exp-log solution to compute very high degrees of  polynomial}
676 \begin{figure}[H]
677 \centering
678   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/log_exp}
679 \caption{The impact of exp-log solution to compute very high degrees of  polynomial.}
680 \label{fig:01}
681 \end{figure}
682
683 \subsubsection{A comparative study between Aberth and Durand-kerner algorithm}
684
685
686 \begin{figure}[H]
687 \centering
688   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK}
689 \caption{Ehrlisch-Aberth and Durand-Kerner algorithm on GPU}
690 \label{fig:01}
691 \end{figure}
692
693
694 \bibliography{mybibfile}
695
696 \end{document}