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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{Loizou83} have proved that
176 the Ehrlich-Aberth method (EA) has a cubic order of convergence for simple roots whereas the Durand-Kerner has a quadratic order of convergence.
177
178
179 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} implemented and compared DK, EA and another method of the fourth order proposed
189 by Farmer and Loizou~\cite{Loizou83}, 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 equal to 5.5. Later,
192 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90}  considered asynchronous
193 algorithms, in which each processor continues to update its
194 approximations even though the latest values of other $z_i((k))$
195 have not been received from the other processors, in contrast with synchronous algorithms where it would wait those values before making a new iteration.
196 Couturier and al.~\cite{Raphaelall01} proposed two methods of parallelization for
197 a shared memory architecture and for distributed memory one. They were able to
198 compute the roots of sparse polynomials of degree 10000 in 430 seconds with only 8
199 personal computers and 2 communications per iteration. Comparing to the sequential implementation
200 where it takes up to 3300 seconds to obtain the same results, the authors show an interesting speedup.
201
202 Very few works had been performed since this last work until the appearing of
203 the Compute Unified Device Architecture (CUDA)~\cite{CUDA10}, a
204 parallel computing platform and a programming model invented by
205 NVIDIA. The computing power of GPUs (Graphics Processing Unit) has exceeded that of CPUs. However, CUDA adopts a totally new computing architecture to use the
206 hardware resources provided by GPU in order to offer a stronger
207 computing ability to the massive data computing.
208
209
210 Ghidouche and al~\cite{Kahinall14} proposed an implementation of the
211 Durand-Kerner method on GPU. Their main
212 result showed that a parallel CUDA implementation is about 10 times faster than
213 the sequential implementation on a single CPU for  sparse
214 polynomials of degree 48000. 
215
216
217 In this paper, we focus on the implementation of the Ehrlich-Aberth
218 method for high degree polynomials on GPU. We propose an adaptation of
219 the exponential logarithm in order to be able to solve sparse and full
220 polynomial of degree up to $1,000,000$. The paper is organized as
221 follows. Initially, we recall the Ehrlich-Aberth method in
222 Section~\ref{sec1}. Improvements for the Ehrlich-Aberth method are
223 proposed in Section \ref{sec2}. Related work to the implementation of
224 simultaneous methods using a parallel approach is presented in Section
225 \ref{secStateofArt}.  In Section~\ref{sec5} we propose a parallel
226 implementation of the Ehrlich-Aberth method on GPU and discuss
227 it. Section~\ref{sec6} presents and investigates our implementation
228 and experimental study results. Finally, Section~\ref{sec7} 6 concludes
229 this paper and gives some hints for future research directions in this
230 topic.
231
232 \section{Ehrlich-Aberth method}
233 \label{sec1}
234 A cubically convergent iteration method for finding zeros of
235 polynomials was proposed by O. Aberth~\cite{Aberth73}. In the
236 following we present the main stages of our implementation the Ehrlich-Aberth method.
237 %The Aberth method is a purely algebraic derivation. 
238 %To illustrate the derivation, we let $w_{i}(z)$ be the product of linear factors 
239
240 %\begin{equation}
241 %w_{i}(z)=\prod_{j=1,j \neq i}^{n} (z-x_{j})
242 %\end{equation}
243
244 %And let a rational function $R_{i}(z)$ be the correction term of the
245 %Weistrass method~\cite{Weierstrass03}
246
247 %\begin{equation}
248 %R_{i}(z)=\frac{p(z)}{w_{i}(z)} , i=1,2,...,n.
249 %\end{equation}
250
251 %Differentiating the rational function $R_{i}(z)$ and applying the
252 %Newton method, we have:
253
254 %\begin{equation}
255 %\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
256 %\end{equation}
257 %where R_{i}^{'}(z)is the rational function derivative of F evaluated in the point z 
258 %Substituting $x_{j}$ for $z_{j}$ we obtain the Aberth iteration method.% 
259
260
261 \subsection{Polynomials Initialization}
262 The initialization of a polynomial p(z) is done by setting each of the $n$ complex coefficients $a_{i}$:
263
264 \begin{equation}
265 \label{eq:SimplePolynome}
266   p(z)=\sum{a_{i}z^{n-i}} , a_{n} \neq 0,a_{0}=1, a_{i}\subset C
267 \end{equation}
268
269
270 \subsection{Vector $z^{(0)}$ Initialization}
271 \label{sec:vec_initialization}
272 As for any iterative method, we need to choose $n$ initial guess points $z^{(0)}_{i}, i = 1, . . . , n.$
273 The initial guess is very important since the number of steps needed by the iterative method to reach
274 a given approximation strongly depends on it.
275 In~\cite{Aberth73} the Ehrlich-Aberth iteration is started by selecting $n$
276 equi-spaced points on a circle of center 0 and radius r, where r is
277 an upper bound to the moduli of the zeros. Later, Bini and al.~\cite{Bini96}
278 performed this choice by selecting complex numbers along different
279 circles and relies on the result of~\cite{Ostrowski41}.
280
281 \begin{equation}
282 \label{eq:radiusR}
283 %%\begin{align}
284 \sigma_{0}=\frac{u+v}{2};u=\frac{\sum_{i=1}^{n}u_{i}}{n.max_{i=1}^{n}u_{i}};
285 v=\frac{\sum_{i=0}^{n-1}v_{i}}{n.min_{i=0}^{n-1}v_{i}};\\
286 %%\end{align}
287 \end{equation}
288 Where:
289 \begin{equation}
290 u_{i}=2.|a_{i}|^{\frac{1}{i}};
291 v_{i}=\frac{|\frac{a_{n}}{a_{i}}|^{\frac{1}{n-i}}}{2}.
292 \end{equation}
293
294 \subsection{Iterative Function}
295 %The operator used by the Aberth method is corresponding to the
296 %following equation~\ref{Eq:EA} which will enable the convergence towards
297 %polynomial solutions, provided all the roots are distinct.
298
299 Here we give a second form of the iterative function used by Ehrlich-Aberth method: 
300
301 \begin{equation}
302 \label{Eq:Hi}
303 EA2: z^{k+1}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
304 {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
305 \end{equation}
306 It can be noticed that this equation is equivalent to Eq.~\ref{Eq:EA},
307 but we prefer the latter one because we can use it to improve the
308 Ehrlich-Aberth method and find the roots of very high degrees polynomials. More
309 details are given in Section~\ref{sec2}.
310 \subsection{Convergence Condition}
311 The convergence condition determines the termination of the algorithm. It consists in stopping the iterative function  when the roots are sufficiently stable. We consider that the method converges sufficiently when:
312
313 \begin{equation}
314 \label{eq:Aberth-Conv-Cond}
315 \forall i \in [1,n];\vert\frac{z_{i}^{k}-z_{i}^{k-1}}{z_{i}^{k}}\vert<\xi
316 \end{equation}
317
318
319 \section{Improving the Ehrlich-Aberth Method for high degree polynomials with exp-log formulation}
320 \label{sec2}
321 With high degree polynomial, the Ehrlich-Aberth method implementation,
322 as well as the Durand-Kerner implement, suffers from overflow problems. This
323 situation occurs, for instance, in the case where a polynomial
324 having positive coefficients and a large degree is computed at a
325 point $\xi$ where $|\xi| > 1$, where $|x|$ stands for the modolus of a complex $x$. Indeed, the limited number in the
326 mantissa of floating points representations makes the computation of p(z) wrong when z
327 is large. For example $(10^{50}) +1+ (- 10^{50})$ will give the wrong result
328 of $0$ instead of $1$. Consequently, we can not compute the roots
329 for large degrees. This problem was early discussed in
330 ~\cite{Karimall98} for the Durand-Kerner method, the authors
331 propose to use the logarithm and the exponential of a complex in order to compute the power at a high exponent.
332
333 \begin{equation}
334 \label{deflncomplex}
335  \forall(x,y)\in R^{*2}; \ln (x+i.y)=\ln(x^{2}+y^{2})
336 2+i.\arcsin(y\sqrt{x^{2}+y^{2}})_{\left] -\pi, \pi\right[ }
337 \end{equation}
338 %%\begin{equation}
339 \begin{align}
340 \label{defexpcomplex}
341  \forall(x,y)\in R^{*2}; \exp(x+i.y) & = \exp(x).\exp(i.y)\\
342                                      & =\exp(x).\cos(y)+i.\exp(x).\sin(y)\label{defexpcomplex1}
343 \end{align}
344 %%\end{equation}
345
346 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
347 manipulate lower absolute values and the roots for large polynomial's degrees can be looked for successfully~\cite{Karimall98}.
348
349 Applying this solution for the Ehrlich-Aberth method we obtain the
350 iteration function with exponential and logarithm:
351 %%$$ \exp \bigl(  \ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'}))- \ln(1- \exp(\ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'})+\ln\sum_{i\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}})$$
352 \begin{equation}
353 \label{Log_H2}
354 EA.EL: z^{k+1}=z_{i}^{k}-\exp \left(\ln \left(
355 p(z_{i}^{k})\right)-\ln\left(p'(z^{k}_{i})\right)- \ln
356 \left(1-Q(z^{k}_{i})\right)\right),
357 \end{equation}
358
359 where:
360
361 \begin{equation}
362 \label{Log_H1}
363 Q(z^{k}_{i})=\exp\left( \ln (p(z^{k}_{i}))-\ln(p'(z^{k}_{i}))+\ln \left(
364 \sum_{k\neq j}^{n}\frac{1}{z^{k}_{i}-z^{k}_{j}}\right)\right).
365 \end{equation}
366
367 This solution is applied when the root except the circle unit, represented by the radius $R$ evaluated in C language as:
368
369 \begin{verbatim}
370 R = exp(log(DBL_MAX)/(2*n) );
371 \end{verbatim} 
372
373 %\begin{equation}
374
375 %R = \exp( \log(DBL\_MAX) / (2*n) )
376 %\end{equation}
377  where \verb=DBL_MAX= stands for the maximum representable \verb=double= value.
378
379 \section{Implementation of simultaneous methods in a parallel computer}
380 \label{secStateofArt}   
381 The main problem of simultaneous methods is that the necessary
382 time needed for convergence is increased when we increase
383 the degree of the polynomial. The parallelization of these
384 algorithms is expected to improve the convergence time.
385 Authors usually adopt one of the two following approaches to parallelize root
386 finding algorithms. The first approach aims at reducing the total number of
387 iterations as by Miranker
388 ~\cite{Mirankar68,Mirankar71}, Schedler~\cite{Schedler72} and
389 Winogard~\cite{Winogard72}. The second approach aims at reducing the
390 computation time per iteration, as reported
391 in~\cite{Benall68,Jana06,Janall99,Riceall06}. 
392
393 There are many schemes for the simultaneous approximation of all roots of a given
394 polynomial. Several works on different methods and issues of root
395 finding have been reported in~\cite{Azad07, Gemignani07, Kalantari08, Zhancall08, Zhuall08}. However, Durand-Kerner and Ehrlich-Aberth methods are the most practical choices among
396 them~\cite{Bini04}. These two methods have been extensively
397 studied for parallelization due to their intrinsics parallelism, i.e. the
398 computations involved in both methods has some inherent
399 parallelism that can be suitably exploited by SIMD machines.
400 Moreover, they have fast rate of convergence (quadratic for the
401 Durand-Kerner and cubic for the Ehrlich-Aberth). Various parallel
402 algorithms reported for these methods can be found
403 in~\cite{Cosnard90, Freeman89,Freemanall90,Jana99,Janall99}.
404 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90} presented two parallel
405 algorithms on a local memory MIMD computer with the compute-to
406 communication time ratio O(n). However, their algorithms require
407 each processor to communicate its current approximation to all
408 other processors at the end of each iteration (synchronous). Therefore they
409 cause a high degree of memory conflict. Recently the author
410 in~\cite{Mirankar71} proposed two versions of parallel algorithm
411 for the Durand-Kerner method, and Ehrlich-Aberth method on a model of
412 Optoelectronic Transpose Interconnection System (OTIS).The
413 algorithms are mapped on an OTIS-2D torus using N processors. This
414 solution needs N processors to compute N roots, which is not
415 practical for solving polynomials with large degrees.
416 %Until very recently, the literature did not mention implementations
417 %able to compute the roots of large degree polynomials (higher then
418 %1000) and within small or at least tractable times.
419
420 Finding polynomial roots rapidly and accurately is the main objective of our work. 
421 With the advent of CUDA (Compute Unified Device
422 Architecture), finding the roots of polynomials receives a new attention because of the new possibilities to solve higher degree polynomials in less time. 
423 In~\cite{Kahinall14} we already proposed the first implementation
424 of a root finding method on GPUs, that of the Durand-Kerner method. The main result showed
425 that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as the
426 sequential implementation on a single CPU for high degree
427 polynomials of 48000.
428 %In this paper we present a parallel implementation of Ehrlich-Aberth
429 %method on GPUs for sparse and full polynomials with high degree (up
430 %to $1,000,000$).
431
432
433 %% \section {A CUDA parallel Ehrlich-Aberth method}
434 %% In the following, we describe the parallel implementation of Ehrlich-Aberth method on GPU 
435 %% for solving high degree polynomials (up to $1,000,000$). First, the hardware and software of the GPUs are presented. Then, the CUDA parallel Ehrlich-Aberth method is presented.
436
437 %% \subsection{Background on the GPU architecture}
438 %% A GPU is viewed as an accelerator for the data-parallel and
439 %% intensive arithmetic computations. It draws its computing power
440 %% from the parallel nature of its hardware and software
441 %% architectures. A GPU is composed of hundreds of Streaming
442 %% Processors (SPs) organized in several blocks called Streaming
443 %% Multiprocessors (SMs). It also has a memory hierarchy. It has a
444 %% private read-write local memory per SP, fast shared memory and
445 %% read-only constant and texture caches per SM and a read-write
446 %% global memory shared by all its SPs~\cite{NVIDIA10}.
447
448 %% On a CPU equipped with a GPU, all the data-parallel and intensive
449 %% functions of an application running on the CPU are off-loaded onto
450 %% the GPU in order to accelerate their computations. A similar
451 %% data-parallel function is executed on a GPU as a kernel by
452 %% thousands or even millions of parallel threads, grouped together
453 %% as a grid of thread blocks. Therefore, each SM of the GPU executes
454 %% one or more thread blocks in SIMD fashion (Single  Instruction,
455 %% Multiple Data) and in turn each SP of a GPU SM runs one or more
456 %% threads within a block in SIMT fashion (Single Instruction,
457 %% Multiple threads). Indeed at any given clock cycle, the threads
458 %% execute the same instruction of a kernel, but each of them
459 %% operates on different data.
460 %%  GPUs only work on data filled in their
461 %% global memories and the final results of their kernel executions
462 %% must be communicated to their CPUs. Hence, the data must be
463 %% transferred in and out of the GPU. However, the speed of memory
464 %% copy between the GPU and the CPU is slower than the memory
465 %% bandwidths of the GPU memories and, thus, it dramatically affects
466 %% the performances of GPU computations. Accordingly, it is necessary
467 %% to limit as much as possible, data transfers between the GPU and its CPU during the
468 %% computations.
469 %% \subsection{Background on the CUDA Programming Model}
470
471 %% The CUDA programming model is similar in style to a single program
472 %% multiple-data (SPMD) software model. The GPU is viewed as a
473 %% coprocessor that executes data-parallel kernel functions. CUDA
474 %% provides three key abstractions, a hierarchy of thread groups,
475 %% shared memories, and barrier synchronization. Threads have a three
476 %% level hierarchy. A grid is a set of thread blocks that execute a
477 %% kernel function. Each grid consists of blocks of threads. Each
478 %% block is composed of hundreds of threads. Threads within one block
479 %% can share data using shared memory and can be synchronized at a
480 %% barrier. All threads within a block are executed concurrently on a
481 %% multithreaded architecture.The programmer specifies the number of
482 %% threads per block, and the number of blocks per grid. A thread in
483 %% the CUDA programming language is much lighter weight than a thread
484 %% in traditional operating systems. A thread in CUDA typically
485 %% processes one data element at a time. The CUDA programming model
486 %% has two shared read-write memory spaces, the shared memory space
487 %% and the global memory space. The shared memory is local to a block
488 %% and the global memory space is accessible by all blocks. CUDA also
489 %% provides two read-only memory spaces, the constant space and the
490 %% texture space, which reside in external DRAM, and are accessed via
491 %% read-only caches.
492
493 \section{ Implementation of Ehrlich-Aberth method on GPU}
494 \label{sec5}
495 %%\subsection{A CUDA implementation of the Aberth's method }
496 %%\subsection{A GPU implementation of the Aberth's method }
497
498
499
500 %% \subsection{Sequential Ehrlich-Aberth algorithm}
501 %% The main steps of Ehrlich-Aberth method are shown in Algorithm.~\ref{alg1-seq} :
502 %% %\LinesNumbered  
503 %% \begin{algorithm}[H]
504 %% \label{alg1-seq}
505
506 %% \caption{A sequential algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
507
508 %% \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (error tolerance
509 %%   threshold), $P$ (Polynomial to solve),$Pu$ (the derivative of P) $\Delta z_{max}$ (maximum value
510 %%   of stop condition), k (number of iteration), n (Polynomial's degrees)}
511 %% \KwOut {$Z$ (The solution root's vector), $ZPrec$ (the previous solution root's vector)}
512
513 %% \BlankLine
514
515 %% Initialization of $P$\;
516 %% Initialization of $Pu$\;
517 %% Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
518 %% $\Delta z_{max}=0$\;
519 %%  k=0\;
520
521 %% \While {$\Delta z_{max} > \varepsilon$}{
522 %%  Let $\Delta z_{max}=0$\;
523 %% \For{$j \gets 0 $ \KwTo $n$}{
524 %% $ZPrec\left[j\right]=Z\left[j\right]$;// save Z at the iteration k.\
525
526 %% $Z\left[j\right]=H\left(j, Z, P, Pu\right)$;//update Z with the iterative function.\
527 %% }
528 %% k=k+1\;
529
530 %% \For{$i \gets 0 $ \KwTo $n-1$}{
531 %% $c= testConverge(\Delta z_{max},ZPrec\left[j\right],Z\left[j\right])$\;
532 %% \If{$c > \Delta z_{max}$ }{
533 %% $\Delta z_{max}$=c\;}
534 %% }
535
536 %% }
537 %% \end{algorithm}
538
539 %% ~\\ 
540 %% 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.
541
542 \subsection{Parallel implementation with CUDA }
543
544 In order to implement the Ehrlich-Aberth method in CUDA, it is
545 possible to use the Jacobi scheme or the Gauss Seidel one.  With the
546 Jacobi iteration, at iteration $k+1$ we need all the previous values
547 $z^{(k)}_{i}$ to compute the new values $z^{(k+1)}_{i}$, that is :
548
549 \begin{equation}
550 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.
551 \end{equation}
552
553 With the Gauss-Seidel iteration, we have:
554 \begin{equation}
555 \label{eq:Aberth-H-GS}
556 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.
557 \end{equation}
558 %%Here a finiched my revision %%
559 Using Eq.~\ref{eq:Aberth-H-GS} to update the vector solution
560 \textit{Z}, we expect the Gauss-Seidel iteration to converge more
561 quickly because, just as any Jacobi algorithm (for solving linear systems of equations), it uses the most fresh computed roots $z^{k+1}_{i}$.
562
563 %The $4^{th}$ step of the algorithm checks the convergence condition using Eq.~\ref{eq:Aberth-Conv-Cond}.
564 %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.
565
566
567
568 %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.
569 %In the GPU, the scheduler assigns the execution of this loop to a
570 %group of threads organised as a grid of blocks with block containing a
571 %number of threads. All threads within a block are executed
572 %concurrently in parallel. The instructions run on the GPU are grouped
573 %in special function called kernels. With CUDA, a programmer must
574 %describe the kernel execution context:  the size of the Grid, the number of blocks and the number of threads per block.
575
576 %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. 
577
578 Algorithm~\ref{alg2-cuda} shows a sketch of the Ehrlich-Aberth algorithm using CUDA.
579
580 \begin{algorithm}[H]
581 \label{alg2-cuda}
582 %\LinesNumbered
583 \caption{CUDA Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
584
585 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (error tolerance
586   threshold), P(Polynomial to solve), Pu (the derivative of P), $n$ (Polynomial's degrees), $\Delta z_{max}$ (maximum value of stop condition)}
587
588 \KwOut {$Z$ (The solution root's vector), $ZPrec$ (the previous solution root's vector)}
589
590 \BlankLine
591
592 Initialization of the of P\;
593 Initialization of the of Pu\;
594 Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
595 Allocate and copy initial data to the GPU global memory\;
596 k=0\;
597 \While {$\Delta z_{max} > \epsilon$}{
598  Let $\Delta z_{max}=0$\;
599 $ kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
600 k=k+1\;
601 $ kernel\_update(Z,P,Pu)$\;
602 $kernel\_testConverge(\Delta z_{max},Z,ZPrec)$\;
603
604 }
605 Copy results from GPU memory to CPU memory\;
606 \end{algorithm}
607 ~\\ 
608
609 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 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}).
610
611 The second kernel executes the iterative function $H$ and updates
612 $d\_Z$, according to Algorithm~\ref{alg3-update}. We notice that the
613 update kernel is called in two forms, separated with the value of
614 \emph{R} which determines the radius beyond which we apply the
615 exponential logarithm algorithm. 
616
617 \begin{algorithm}[H]
618 \label{alg3-update}
619 %\LinesNumbered
620 \caption{Kernel update}
621
622 \eIf{$(\left|Z\right|<= R)$}{
623 $kernel\_update((Z,P,Pu)$\;}
624 {
625 $kernel\_update\_ExpoLog((Z,P,Pu))$\;
626 }
627 \end{algorithm}
628
629 The first form executes formula the EA function Eq.~\ref{Eq:Hi} if the modulus
630 of the current complex is less than the a certain value called the
631 radius i.e. ($ |z^{k}_{i}|<= R$), else the kernel executes the EA.EL
632 function Eq.~\ref{Log_H2}
633 (with Eq.~\ref{deflncomplex}, Eq.~\ref{defexpcomplex}). The radius $R$ is evaluated as :
634
635 $$R = \exp( \log(DBL\_MAX) / (2*n) )$$ where $DBL\_MAX$ stands for the maximum representable double value.
636
637 The last kernel checks the convergence of the roots after each update
638 of $Z^{(k)}$, according to formula Eq.~\ref{eq:Aberth-Conv-Cond}. We used the functions of the CUBLAS Library (CUDA Basic Linear Algebra Subroutines) to implement this kernel. 
639
640 The kernel terminates its computations when all the roots have
641 converged. It should be noticed that, as blocks of threads are
642 scheduled automatically by the GPU, we have absolutely no control on
643 the order of the blocks. Consequently, our algorithm is executed more
644 or less in an asynchronous iteration model, where blocks of roots are
645 updated in a non deterministic way. As the Durand-Kerner method has
646 been proved to converge with asynchronous iterations, we think it is
647 similar with the Ehrlich-Aberth method, but we did not try to prove
648 this in that paper. Another consequence of that, is that several
649 executions of our algorithm with the same polynomial do no give
650 necessarily the same result (but roots have the same accuracy) and the
651 same number of iterations (even if the variation is not very
652 significant).
653
654
655
656
657
658 %%HIER END MY REVISIONS (SIDER)
659 \section{Experimental study}
660 \label{sec6}
661 %\subsection{Definition of the used polynomials }
662 We study two categories of polynomials: sparse polynomials and the full polynomials.\\
663 {\it A sparse polynomial} is a polynomial for which only some
664 coefficients are not null. In this paper, we consider sparse polynomials for which the roots are distributed on 2 distinct circles:
665 \begin{equation}
666         \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})
667 \end{equation}\noindent
668 {\it A full polynomial} is, in contrast, a polynomial for which
669 all the coefficients are not null. A full polynomial is defined by:
670 %%\begin{equation}
671         %%\forall \alpha_{i} \in C,\forall n_{i}\in N^{*}; P(z)= \sum^{n}_{i=1}(z^{n^{i}}.a_{i})
672 %%\end{equation}
673
674 \begin{equation}
675      {\Large \forall a_{i} \in C, i\in N;  p(x)=\sum^{n}_{i=0} a_{i}.x^{i}} 
676 \end{equation}
677 %With this form, we can have until \textit{n} non zero terms whereas the sparse ones have just two non zero terms.
678
679 %\subsection{The study condition} 
680 %Two parameters are studied are
681 %the polynomial degree and the execution time of our program
682 %to converge on the solution. The polynomial degree allows us
683 %to validate that our algorithm is powerful with high degree
684 %polynomials. The execution time remains the
685 %element-key which justifies our work of parallelization.
686 For our tests, a CPU Intel(R) Xeon(R) CPU
687 E5620@2.40GHz and a GPU K40 (with 6 Go of ram) is used. 
688
689
690 %\subsection{Comparative study}
691 %First, performances of the Ehrlich-Aberth method  of root finding polynomials
692 %implemented on CPUs and on GPUs are studied.
693
694 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 times, the  polynomial size and the number of threads per block performed by sum or each experiment on CPU and on GPU.
695
696 All experimental results obtained from the simulations are made in
697 double precision data, the convergence threshold of the methods is set
698 to $10^{-7}$.
699 %Since we were more interested in the comparison of the
700 %performance behaviors of Ehrlich-Aberth and Durand-Kerner methods on
701 %CPUs versus on GPUs.
702 The initialization values of the vector solution
703 of the methods are given in Section~\ref{sec:vec_initialization}.
704
705 \subsection{Comparison of execution times of the Ehrlich-Aberth method
706   on a CPU with OpenMP (1 core and 4 cores) vs. on a Tesla GPU}
707
708 \begin{figure}[htbp]
709 \centering
710   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/openMP-GPU}
711 \caption{Comparison of execution times  of the Ehrlich-Aberth method
712   on a CPU with OpenMP (1 core, 4 cores) and on a Tesla GPU}
713 \label{fig:01}
714 \end{figure}
715 %%Figure 1 %%show a comparison of execution time between the parallel and sequential version of the Ehrlich-Aberth algorithm with sparse polynomial exceed 100000, 
716 In Figure~\ref{fig:01}, 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 2,500 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.
717  
718  %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.
719
720 \subsection{Influence of the number of threads on the execution times of different polynomials (sparse and full)}
721 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. 
722 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 1,024. We took into account the execution time for both sparse and full of 10 different polynomials of size 50,000 and 10 different polynomials of size 500,000 degrees.
723
724 \begin{figure}[htbp]
725 \centering
726   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/influence_nb_threads}
727 \caption{Influence of the number of threads on the execution times of different polynomials (sparse and full)}
728 \label{fig:02}
729 \end{figure}
730
731 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.
732
733 \subsection{Influence of exp-log solution to compute high degree polynomials}
734
735 In this experiment we report the performance of the exp-log solution described in Section~\ref{sec2} to compute very high degrees polynomials.   
736 \begin{figure}[htbp]
737 \centering
738   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/sparse_full_explog}
739 \caption{The impact of exp.log solution to compute very high degrees of  polynomial.}
740 \label{fig:03}
741 \end{figure}
742
743
744 Figure~\ref{fig:03} shows a comparison between the execution time of
745 the Ehrlich-Aberth method using the exp-log solution and the
746 execution time of the Ehrlich-Aberth method without this solution,
747 with full and sparse polynomials degrees. We can see that the
748 execution times for both algorithms are the same with full polynomials
749 degrees less than 4,000 and sparse polynomials less than 150,000. We
750 also clearly show that the classical version (without log-exp) of
751 Ehrlich-Aberth algorithm do not converge after these degree with
752 sparse and full polynomials. In counterpart, the new version of
753 Ehrlich-Aberth algorithm with the exp-log solution can solve very
754 high degree polynomials.
755
756 %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 . 
757
758
759
760
761 \subsection{Comparison of the Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth methods}
762
763 In this part, we  compare the Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth
764 methods on GPU. We took into account the execution times, the number of iterations and the polynomials size for the both sparse and full polynomials.  
765
766 \begin{figure}[htbp]
767 \centering
768   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK}
769 \caption{Execution times of the  Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth methods on GPU}
770 \label{fig:04}
771 \end{figure}
772
773 \begin{figure}[htbp]
774 \centering
775   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK1}
776 \caption{Execution times of the  Durand-Kerner and the Ehrlich-Aberth methods on GPU}
777 \label{fig:0}
778 \end{figure}
779
780 Figure~\ref{fig:04} shows the execution times of both methods with
781 sparse polynomial degrees ranging from 1,000 to 1,000,000. We can see
782 that the Ehrlich-Aberth algorithm is faster than Durand-Kerner
783 algorithm, with an average of 25 times faster. Then, when degrees of
784 polynomial exceed 500,000 the execution times with DK are very long.
785
786 %with double precision not exceed $10^{-5}$.
787
788 \begin{figure}[htbp]
789 \centering
790   \includegraphics[width=0.8\textwidth]{figures/EA_DK_nbr}
791 \caption{The number of iterations to converge for the Ehrlich-Aberth
792   and the Durand-Kerner methods}
793 \label{fig:05}
794 \end{figure}
795
796 Figure~\ref{fig:05} show the evaluation of the number of iteration according
797 to degree of polynomial from both EA and DK algorithms, we can see
798 that the iteration number of DK is of order 100 while EA is of order
799 10. Indeed the computing of the derivative of P (the polynomial to
800 resolve) in the iterative function (Eq.~\ref{Eq:Hi}) executed by EA
801 allows the algorithm to converge more quickly. In counterpart, the
802 DK operator (Eq.~\ref{DK}) needs low operation, consequently low
803 execution time per iteration, but it needs more iterations to converge.
804
805
806  \section{Conclusion and perspectives}
807 \label{sec7}
808 In this paper we have presented the parallel implementation
809 Ehrlich-Aberth method on GPU for the problem of finding roots
810 polynomial. Moreover, we have improved the classical Ehrlich-Aberth
811 method which suffers from overflow problems, the exp-log solution
812 applied to the iterative function allows to solve high degree
813 polynomials.
814
815 We have performed many experiments with the Ehrlich-Aberth method in
816 GPU. These experiments highlight that this method is very efficient in
817 GPU compared to all the other implementations. The improvement with
818 the exponential logarithm solution allows us to solve sparse and full
819 high degree polynomials up to 1,000,000 degree. Hence, it may be
820 possible to consider to use polynomial root finding methods in other
821 numerical applications on GPU.
822
823
824 In future works, we plan to investigate the possibility of using
825 several multiple GPUs simultaneously, either with multi-GPU machine or
826 with cluster of GPUs.
827
828
829
830 \bibliography{mybibfile}
831
832 \end{document}