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[kahina_paper1.git] / paper.tex
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50
51 \begin{document}
52
53 \begin{frontmatter}
54
55 \title{Parallel polynomial root finding  using GPU}
56
57 %% Group authors per affiliation:
58 \author{Elsevier\fnref{myfootnote}}
59 \address{Radarweg 29, Amsterdam}
60 \fntext[myfootnote]{Since 1880.}
61
62 %% or include affiliations in footnotes:
63 \author[mymainaddress]{Ghidouche Kahina\corref{mycorrespondingauthor}}
64 %%\ead[url]{kahina.ghidouche@gmail.com}
65 \cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
66 \ead{kahina.ghidouche@gmail.com}
67
68 \author[mysecondaryaddress]{Couturier Raphael\corref{mycorrespondingauthor}}
69 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
70 \ead{raphael.couturier@univ-fcomte.fr}
71
72 \author[mymainaddress]{Abderrahmane Sider\corref{mycorrespondingauthor}}
73 %%\cortext[mycorrespondingauthor]{Corresponding author}
74 \ead{ar.sider@univ-bejaia.dz}
75
76 \address[mymainaddress]{Department of informatics,University of Bejaia,Algeria}
77 \address[mysecondaryaddress]{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Compté }
78
79 \begin{abstract}
80 in this article we present a parallel implementation
81 of the Aberth algorithm for the problem root finding for
82 high degree polynomials on GPU architecture (Graphics
83 Processing Unit).
84 \end{abstract}
85
86 \begin{keyword}
87 root finding of polynomials, high degree, iterative methods, Durant-Kerner, GPU, CUDA, CPU , Parallelization
88 \end{keyword}
89
90 \end{frontmatter}
91
92 \linenumbers
93
94 \section{The problem of finding roots of a polynomial}
95 Polynomials are algebraic structures used in mathematics that capture physical phenomenons and that express the outcome in the form of a function of some unknown variable. Formally speaking,  a polynomial $p(x)$ of degree \textit{n} having $n$ coefficients in the complex plane \textit{C} and zeros $\alpha_{i},\textit{i=1,...,n}$ 
96 %%\begin{center}
97 \begin{equation}
98      {\Large p(x)=\sum{a_{i}x^{i}}=a_{n}\prod(x-\alpha_{i}),a_{0} a_{n}\neq 0}.
99 \end{equation}
100 %%\end{center}
101
102 The root finding problem consists in finding the values of all the $n$ values of the variable $x$ for which \textit{p(x)} is nullified. Such values are called zeroes of $p$. The problem of finding a root is equivalent to that of solving a fixed-point problem. To see this, consider the fixed-point problem of finding the $n$-dimensional
103 vector $x$ such that
104 \begin{center}
105 $x=g(x)$
106 \end{center}
107 where $g : C^{n}\longrightarrow C^{n}$. Usually, we can easily
108 rewrite this fixed-point problem as a root-finding problem by
109 setting $f(x) = x-g(x)$ and likewise we can recast the
110 root-finding problem into a fixed-point problem by setting
111 \begin{center}
112 $g(x)= f(x)-x$.
113 \end{center}
114
115 Often it is not be possible to solve such nonlinear equation
116 root-finding problems analytically. When this occurs we turn to
117 numerical methods to approximate the solution. 
118 Generally speaking, algorithms for solving problems can be divided into
119 two main groups: direct methods and iterative methods.
120 \\
121 Direct methods exist only for $n \leq 4$, solved in closed form by G. Cardano
122 in the mid-16th century. However, N.H. Abel in the early 19th
123 century showed that polynomials of degree five or more could not
124 be solved by  directs methods. Since then, mathmathicians have
125 focussed on numerical (iterative) methods such as the famous
126 Newton's method, Bernoulli's method of the 18th, and Graeffe's.
127
128 Later on, with the advent of electronic computers, other methods has
129 been developed such as the Jenkins-Traub method, Larkin's method,
130 Muller's method, and several methods for simultaneous
131 approximation of all the roots, starting with the Durand-Kerner (DK)
132 method :
133 %%\begin{center}
134 \begin{equation}
135  Z_{i}=Z_{i}-\frac{P(Z_{i})}{\prod_{i\neq j}(z_{i}-z_{j})}
136 \end{equation}
137 %%\end{center}
138
139 This formula is mentioned for the first time by
140 Weiestrass~\cite{Weierstrass03} as part of the fundamental theorem
141 of Algebra and is rediscovered by Ilieff~\cite{Ilie50},
142 Docev~\cite{Docev62}, Durand~\cite{Durand60},
143 Kerner~\cite{Kerner66}. Another method discovered by
144 Borsch-Supan~\cite{ Borch-Supan63} and also described and brought
145 in the following form by Ehrlich~\cite{Ehrlich67} and
146 Aberth~\cite{Aberth73} uses a different iteration formula given as fellows :
147 %%\begin{center}
148 \begin{equation}
149  Z_{i}=Z_{i}-\frac{1}{{\frac {P'(Z_{i})} {P(Z_{i})}}-{\sum_{i\neq j}(z_{i}-z_{j})}}.
150 \end{equation}
151 %%\end{center}
152
153 Aberth, Ehrlich and Farmer-Loizou~\cite{Loizon83} have proved that
154 the Ehrlisch-Aberth method (EA) has a cubic order of convergence for simple roots whereas the Durand-Kerner has a quadratic order of convergence.
155
156
157 Iterative methods raise several problem when implemented e.g.
158 specific sizes of numbers must be used to deal with this
159 difficulty. Moreover, the convergence time of iterative methods
160 drastically increases like the degrees of high polynomials. It is expected that the
161 parallelization of these algorithms will improve the convergence
162 time.
163
164 Many authors have dealt with the parallelisation of
165 simultaneous methods, i.e. that find all the zeros simultaneously. 
166 Freeman~\cite{Freeman89} implemeted and compared DK, EA and another method of the fourth order proposed
167 by Farmer and Loizou~\cite{Loizon83}, on a 8- processor linear
168 chain, for polynomials of degree up to 8. The third method often
169 diverges, but the first two methods have speed-up 5.5
170 (speed-up=(Time on one processor)/(Time on p processors)). Later,
171 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90}  considered asynchronous
172 algorithms, in which each processor continues to update its
173 approximations even though the latest values of other $z_i((k))$
174 have not been received from the other processors, in contrast with synchronous algorithms where it would wait those values before making a new iteration.
175 Couturier et al. ~\cite{Raphaelall01} proposed two methods of parallelisation for
176 a shared memory architecture and for distributed memory one. They were able to
177 compute the roots of polynomials of degree 10000 in 430 seconds with only 8
178 personal computers and 2 communications per iteration. Comparing to the sequential implementation
179 where it takes up to 3300 seconds to obtain the same results, the authors show an interesting speedup, indeed.
180
181 Very few works had been since this last work until the appearing of
182 the Compute Unified Device Architecture (CUDA)~\cite{CUDA10}, a
183 parallel computing platform and a programming model invented by
184 NVIDIA. The computing power of GPUs (Graphics Processing Unit) has exceeded that of
185 of CPUs. However, CUDA adopts a totally new computing architecture to use the
186 hardware resources provided by GPU in order to offer a stronger
187 computing ability to the massive data computing.
188
189
190 Ghidouche et al. ~\cite{Kahinall14} proposed an implementation of the
191 Durand-Kerner method on GPU. Their main
192 result showed that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as
193 the sequential implementation on a single CPU for high degree
194 polynomials of about 48000. To our knowledge, it is the first time such high degree polynomials are numerically solved.
195
196
197 In this paper, we focus on the implementation of the Aberth method for
198 high degree polynomials on GPU. The paper is organised as fellows. Initially, we recall the Aberth method in Section.\ref{sec1}. Improvements for the Aberth method are proposed in Section.\ref{sec2}. Related work to the implementation of simultaneous methods using a parallel approach is presented in Section.\ref{secStateofArt}.
199 In Section.4 we propose a parallel implementation of the Aberth method on GPU and discuss it. Section 5 presents and investigates our implementation and experimental study results. Finally, Section 6 concludes this paper and gives some hints for future research directions in this topic.  
200
201 \section{The Sequential Aberth method}
202 \label{sec1}
203 A cubically convergent iteration method for finding zeros of
204 polynomials was proposed by O.Aberth~\cite{Aberth73}. The Aberth
205 method is a purely algebraic derivation. To illustrate the
206 derivation, we let $w_{i}(z)$ be the product of linear factors 
207
208 \begin{equation}
209 w_{i}(z)=\prod_{j=1,j \neq i}^{n} (z-x_{j})
210 \end{equation}
211
212 And let a rational function $R_{i}(z)$ be the correction term of the
213 Weistrass method~\cite{Weierstrass03}
214
215 \begin{equation}
216 R_{i}(z)=\frac{p(z)}{w_{i}(z)} , i=1,2,...,n.
217 \end{equation}
218
219 Differentiating the rational function $R_{i}(z)$ and applying the
220 Newton method, we have:
221
222 \begin{equation}
223 \frac{R_{i}(z)}{R_{i}^{'}(z)}= \frac{p(z)}{p^{'}(z)-p(z)\frac{w_{i}(z)}{w_{i}^{'}(z)}}= \frac{p(z)}{p^{'}(z)-p(z) \sum _{j=1,j \neq i}^{n}\frac{1}{z-x_{i}}}, i=1,2,...,n
224 \end{equation}
225
226 Substituting $x_{j}$ for z we obtain the Aberth iteration method.
227
228 In the fellowing we present the main stages of the running of the Aberth method.
229
230 \subsection{Polynomials Initialization}
231 The initialization of a polynomial p(z) is done by setting each of the $n$ complex coefficients $a_{i}$
232 :
233
234 \begin{equation}
235   p(z)=\sum{a_{i}z^{n-i}} , a_{n} \neq 0,a_{0}=1, a_{i}\subset C
236 \end{equation}
237
238
239 \subsection{Vector $z^{(0)}$ Initialization}
240
241 Like for any iterative method, we need to choose $n$ initial guess points $z^{(0)}_{i}, i = 1, . . . , n.$
242 The initial guess is very important since the number of steps needed by the iterative method to reach
243 a given approximation strongly depends on it.
244 In~\cite{Aberth73} the Aberth iteration is started by selecting $n$
245 equi-spaced points on a circle of center 0 and radius r, where r is
246 an upper bound to the moduli of the zeros. Later, Bini et al.~\cite{Bini96}
247 performed this choice by selecting complex numbers along different
248 circles and relies on the result of~\cite{Ostrowski41}.
249
250 \begin{equation}
251 %%\begin{align}
252 \sigma_{0}=\frac{u+v}{2};u=\frac{\sum_{i=1}^{n}u_{i}}{n.max_{i=1}^{n}u_{i}};
253 v=\frac{\sum_{i=0}^{n-1}v_{i}}{n.min_{i=0}^{n-1}v_{i}};\\
254 %%\end{align}
255 \end{equation}
256 Where:
257 \begin{equation}
258 u_{i}=2.|a_{i}|^{\frac{1}{i}};
259 v_{i}=\frac{|\frac{a_{n}}{a_{i}}|^{\frac{1}{n-i}}}{2}.
260 \end{equation}
261
262 \subsection{Iterative Function $H_{i}$}
263 The operator used by the Aberth method is corresponding to the
264 following equation which will enable the convergence towards
265 polynomial solutions, provided all the roots are distinct.
266
267 \begin{equation}
268 H_{i}(z)=z_{i}-\frac{1}{\frac{p^{'}(z_{i})}{p(z_{i})}-\sum_{j\neq
269 i}{\frac{1}{z_{i}-z_{j}}}}
270 \end{equation}
271
272 \subsection{Convergence Condition}
273 The convergence condition determines the termination of the algorithm. It consists in stopping from running
274 the iterative function $H_{i}(z)$ when the roots are sufficiently stable. We consider that the method
275 converges sufficiently when :
276
277 \begin{equation}
278 \label{eq:Aberth-Conv-Cond}
279 \forall i \in
280 [1,n];\frac{z_{i}^{(k)}-z_{i}^{(k-1)}}{z_{i}^{(k)}}<\xi
281 \end{equation}
282
283
284 \section{Improving the Ehrlisch-Aberth Method}
285 \label{sec2}
286 The Ehrlisch-Aberth method implementation suffers of overflow problems. This
287 situation occurs, for instance, in the case where a polynomial
288 having positive coefficients and a large degree is computed at a
289 point $\xi$ where $|\xi| > 1$, where $|x|$ stands for the modolus of a complex $x$. Indeed, the limited number in the
290 mantissa of floating points representations makes the computation of p(z) wrong when z
291 is large. For example $(10^{50}) +1+ (- 10^{50})$ will give the wrong result
292 of $0$ instead of $1$. Consequently, we can not compute the roots
293 for large degrees. This problem was early discussed in
294 ~\cite{Karimall98} for the Durand-Kerner method, the authors
295 propose to use the logarithm and the exponential of a complex in order to compute the power at a high exponent.
296
297 \begin{equation}
298 \label{deflncomplex}
299  \forall(x,y)\in R^{*2}; \ln (x+i.y)=\ln(x^{2}+y^{2})
300 2+i.\arcsin(y\sqrt{x^{2}+y^{2}})_{\left] -\pi, \pi\right[ }
301 \end{equation}
302 %%\begin{equation}
303 \begin{align}
304 \label{defexpcomplex}
305  \forall(x,y)\in R^{*2}; \exp(x+i.y) & = \exp(x).\exp(i.y)\\
306                                      & =\exp(x).\cos(y)+i.\exp(x).\sin(y)\label{defexpcomplex}
307 \end{align}
308 %%\end{equation}
309
310 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
311 manipulate lower absolute values and the roots for large polynomial's degrees can be looked for successfully~\cite{Karimall98}.
312
313 Applying this solution for the Aberth method we obtain the
314 iteration function with logarithm:
315 %%$$ \exp \bigl(  \ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'}))- \ln(1- \exp(\ln(p(z)_{k})-ln(\ln(p(z)_{k}^{'})+\ln\sum_{i\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}})$$
316 \begin{equation}
317 H_{i}(z)=z_{i}^{k}-\exp \left(\ln \left(
318 p(z_{k})\right)-\ln\left(p(z_{k}^{'})\right)- \ln
319 \left(1-Q(z_{k})\right)\right),
320 \end{equation}
321
322 where:
323
324 \begin{equation}
325 Q(z_{k})=\exp\left( \ln (p(z_{k}))-\ln(p(z_{k}^{'}))+\ln \left(
326 \sum_{k\neq j}^{n}\frac{1}{z_{k}-z_{j}}\right)\right).
327 \end{equation}
328
329 This solution is applied when it is necessary ??? When ??? (SIDER)
330
331 \section{The implementation of simultaneous methods in a parallel computer}
332 \label{secStateofArt}   
333 The main problem of simultaneous methods is that the necessary
334 time needed for convergence is increased when we increase
335 the degree of the polynomial. The parallelisation of these
336 algorithms is expected to improve the convergence time.
337 Authors usually adopt one of the two following approaches to parallelize root
338 finding algorithms. The first approach aims at reducing the total number of
339 iterations as by Miranker
340 ~\cite{Mirankar68,Mirankar71}, Schedler~\cite{Schedler72} and
341 Winogard~\cite{Winogard72}. The second approach aims at reducing the
342 computation time per iteration, as reported
343 in~\cite{Benall68,Jana06,Janall99,Riceall06}. 
344
345 There are many schemes for the simultaneous approximation of all roots of a given
346 polynomial. Several works on different methods and issues of root
347 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
348 them~\cite{Bini04}. These two methods have been extensively
349 studied for parallelization due to their intrinsics, i.e. the
350 computations involved in both methods has some inherent
351 parallelism that can be suitably exploited by SIMD machines.
352 Moreover, they have fast rate of convergence (quadratic for the
353 Durand-Kerner and cubic for the Ehrlisch-Aberth). Various parallel
354 algorithms reported for these methods can be found
355 in~\cite{Cosnard90, Freeman89,Freemanall90,,Jana99,Janall99}.
356 Freeman and Bane~\cite{Freemanall90} presented two parallel
357 algorithms on a local memory MIMD computer with the compute-to
358 communication time ratio O(n). However, their algorithms require
359 each processor to communicate its current approximation to all
360 other processors at the end of each iteration (synchronous). Therefore they
361 cause a high degree of memory conflict. Recently the author
362 in~\cite{Mirankar71} proposed two versions of parallel algorithm
363 for the Durand-Kerner method, and Ehrlisch-Aberth method on a model of
364 Optoelectronic Transpose Interconnection System (OTIS).The
365 algorithms are mapped on an OTIS-2D torus using N processors. This
366 solution needs N processors to compute N roots, which is not
367 practical for solving polynomials with large degrees.
368 Until very recently, the literature doen not mention implementations able to compute the roots of
369 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. 
370 With the advent of CUDA (Compute Unified Device
371 Architecture), finding the roots of polynomials receives a new attention because of the new possibilities to solve higher degree polynomials in less time. 
372 In~\cite{Kahinall14} we already proposed the first implementation
373 of a root finding method on GPUs, that of the Durand-Kerner method. The main result showed
374 that a parallel CUDA implementation is 10 times as fast as the
375 sequential implementation on a single CPU for high degree
376 polynomials of 48000. In this paper we present a parallel implementation of Ehlisch-Aberth method on
377 GPUs, which details are discussed in the sequel.
378
379
380 \section {A CUDA parallel Ehrlisch-Aberth method}
381
382 \subsection{Background on the GPU architecture}
383 A GPU is viewed as an accelerator for the data-parallel and
384 intensive arithmetic computations. It draws its computing power
385 from the parallel nature of its hardware and software
386 architectures. A GPU is composed of hundreds of Streaming
387 Processors (SPs) organized in several blocks called Streaming
388 Multiprocessors (SMs). It also has a memory hierarchy. It has a
389 private read-write local memory per SP, fast shared memory and
390 read-only constant and texture caches per SM and a read-write
391 global memory shared by all its SPs~\cite{NVIDIA10}.
392
393 On a CPU equipped with a GPU, all the data-parallel and intensive
394 functions of an application running on the CPU are off-loaded onto
395 the GPU in order to accelerate their computations. A similar
396 data-parallel function is executed on a GPU as a kernel by
397 thousands or even millions of parallel threads, grouped together
398 as a grid of thread blocks. Therefore, each SM of the GPU executes
399 one or more thread blocks in SIMD fashion (Single  Instruction,
400 Multiple Data) and in turn each SP of a GPU SM runs one or more
401 threads within a block in SIMT fashion (Single Instruction,
402 Multiple threads). Indeed at any given clock cycle, the threads
403 execute the same instruction of a kernel, but each of them
404 operates on different data.
405  GPUs only work on data filled in their
406 global memories and the final results of their kernel executions
407 must be communicated to their CPUs. Hence, the data must be
408 transferred in and out of the GPU. However, the speed of memory
409 copy between the GPU and the CPU is slower than the memory
410 bandwidths of the GPU memories and, thus, it dramatically affects
411 the performances of GPU computations. Accordingly, it is necessary
412 to limit as much as possible, data transfers between the GPU and its CPU during the
413 computations.
414 \subsection{Background on the CUDA Programming Model}
415
416 The CUDA programming model is similar in style to a single program
417 multiple-data (SPMD) software model. The GPU is viewed as a
418 coprocessor that executes data-parallel kernel functions. CUDA
419 provides three key abstractions, a hierarchy of thread groups,
420 shared memories, and barrier synchronization. Threads have a three
421 level hierarchy. A grid is a set of thread blocks that execute a
422 kernel function. Each grid consists of blocks of threads. Each
423 block is composed of hundreds of threads. Threads within one block
424 can share data using shared memory and can be synchronized at a
425 barrier. All threads within a block are executed concurrently on a
426 multithreaded architecture.The programmer specifies the number of
427 threads per block, and the number of blocks per grid. A thread in
428 the CUDA programming language is much lighter weight than a thread
429 in traditional operating systems. A thread in CUDA typically
430 processes one data element at a time. The CUDA programming model
431 has two shared read-write memory spaces, the shared memory space
432 and the global memory space. The shared memory is local to a block
433 and the global memory space is accessible by all blocks. CUDA also
434 provides two read-only memory spaces, the constant space and the
435 texture space, which reside in external DRAM, and are accessed via
436 read-only caches.
437
438 \subsection{ The implementation of Aberth method on GPU}
439 %%\subsection{A CUDA implementation of the Aberth's method }
440 %%\subsection{A GPU implementation of the Aberth's method }
441
442
443
444 \subsubsection{A sequential Aberth algorithm}
445 The main steps of Aberth method are shown in Algorithm.~\ref{alg1-seq} :
446   
447 \begin{algorithm}[H]
448 \label{alg1-seq}
449 %\LinesNumbered
450 \caption{A sequential algorithm to find roots with the Aberth method}
451
452 \KwIn{$Z^{0}$(Initial root's vector),$\varepsilon$ (error
453 tolerance threshold),P(Polynomial to solve)}
454
455 \KwOut {Z(The solution root's vector)}
456
457 \BlankLine
458
459 Initialization of the coefficients of the polynomial to solve\;
460 Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
461
462 \While {$\Delta z_{max}\succ \epsilon$}{
463  Let $\Delta z_{max}=0$\;
464 \For{$j \gets 0 $ \KwTo $n$}{
465 $ZPrec\left[j\right]=Z\left[j\right]$\;
466 $Z\left[j\right]=H\left(j,Z\right)$\;
467 }
468
469 \For{$i \gets 0 $ \KwTo $n-1$}{
470 $c=\frac{\left|Z\left[i\right]-ZPrec\left[i\right]\right|}{Z\left[i\right]}$\;
471 \If{$c\succ\Delta z_{max}$ }{
472 $\Delta z_{max}$=c\;}
473 }
474 }
475 \end{algorithm}
476
477 ~\\ 
478 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.
479 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 $z^{(k+1)}_{i}$, taht is :
480
481 \begin{equation}
482 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.
483 \end{equation}
484
485 With the the Gauss-seidel iteration, we have:
486 \begin{equation}
487 \label{eq:Aberth-H-GS}
488 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.
489 \end{equation}
490
491 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 $z^{k+1}_{i}$.
492
493 The $4^{th}$ step of the algorithm checks the convergence condition using Equation.~\ref{eq:Aberth-Conv-Cond}.
494 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.
495
496 \paragraph{The execution time}
497 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.
498
499 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.
500
501 Thus, the execution time for both steps 3 and 4 is:
502 \begin{equation}
503 T_{iter}=n(T_{i}(n)+T_{j})+O(n).
504 \end{equation}
505 Let $K$ be the number of iterations necessary to compute all the roots, so the total execution time $T$ can be given as:
506
507 \begin{equation}
508 \label{eq:T-global}
509 T=\left[n\left(T_{i}(n)+T_{j}\right)+O(n)\right].K
510 \end{equation}
511 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.
512
513 \subsubsection{A Parallel implementation on a GPU }
514 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.
515 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.
516
517 Let N be the number of threads executed in parallel,  Equation.~\ref{eq:T-global} becomes then : 
518
519 \begin{equation}
520 T=\left[\frac{n}{N}\left(T_{i}(n)+T_{j}\right)+O(n)\right].K.
521 \end{equation}
522
523 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. 
524 ~\\
525 ~\\
526 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. 
527
528 Algorithm~\ref{alg2-cuda} shows a sketch of the Aberth algorithm usind CUDA.
529
530 \begin{algorithm}[H]
531 \label{alg2-cuda}
532 %\LinesNumbered
533 \caption{CUDA Algorithm to find roots of polynomial with Aberth method}
534
535 \KwIn{$Z^{0}$(Initial root's vector),$\varepsilon$ (error
536 tolerance threshold),P(Polynomial to solve)}
537
538 \KwOut {Z(The solution root's vector)}
539
540 \BlankLine
541
542 Initialization of the coeffcients of the polynomial to solve\;
543 Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
544 Allocate and copy initial data to the GPU global memory\;
545
546 \While {$\Delta z_{max}\succ \epsilon$}{
547  Let $\Delta z_{max}=0$\;
548 $ kernel\_save(d\_Z^{k-1})$\;
549 $ kernel\_update(d\_z^{k})$\;
550 $kernel\_testConverge (d_?z_{max},d_Z^{k},d_Z^{k-1})$\;
551 }
552 \end{algorithm}
553 ~\\ 
554
555 After the initialization step, all data of the root finding problem to be solved must be copied from the CPU memory to the GPU global memory, because the GPUs only work on the data filled in their memories. Next, all the data-parallel arithmetic operations inside the main loop \verb=(do ... while(...))= are executed as kernels by the GPU. The first kernel \textit{save} in line( 6, Algorithm 2) consist to save the vector of polynomial's root found at the previous time step on GPU memory, in order to test the convergence of the root at each iteration in line (8, Algorithm 2).
556
557 The second kernel executes the iterative function and update Z(k),as formula (), we notice that the kernel update are called in two forms,  separated with  the value of \emph{R} which determines the radius beyond which we apply the logarithm formula like this: 
558
559 \begin{algorithm}[H]
560 %\LinesNumbered
561 \caption{A global Algorithm for the iterative function}
562
563 \eIf{$(\left|Z^{(k)}\right|<= R)$}{
564 $kernel\_update(d\_z^{k})$\;}
565 {
566 $kernel\_update\_Log(d\_z^{k})$\;
567 }
568 \end{algorithm}
569
570 The first form execute the formula(8) if all the module's $( |Z(k)|<= R)$, else the kernel execute the formulas(13,14).the radius R was computed like:
571
572 $$R = \exp( \log(DBL\_MAX) / (2*(double)P.degrePolynome) )$$
573
574 The last kernel verify the convergence of the root after each update of $Z^{(k)}$, as formula(), we used the function of the CUBLAS Library (CUDA Basic Linear Algebra Subroutines) to implement this kernel. 
575
576 The kernels terminates its computations when all the root are converged. Finally, the solution of the  root finding problem is copied back from the GPU global memory to the CPU memory. We use the communication functions of CUDA for the memory allocations in the GPU \verb=(cudaMalloc())= and the data transfers from the CPU memory to the GPU memory \verb=(cudaMemcpyHostToDevice)=
577 or from the GPU memory to the CPU memory \verb=(cudaMemcpyDeviceToHost))=. 
578 \subsection{Experimental study}
579
580 \subsubsection{Definition of the polynomial used}
581 We use a polynomial of the following form for which the
582 roots are distributed on 2 distinct circles:
583 \begin{equation}
584         \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})
585 \end{equation}
586
587 This form makes it possible to associate roots having two
588 different modules and thus to work on a polynomial constitute
589 of four non zero terms.
590 \\
591  An other form of the polynomial to obtain  a full polynomial is:
592 %%\begin{equation}
593         %%\forall \alpha_{i} \in C,\forall n_{i}\in N^{*}; P(z)= \sum^{n}_{i=1}(z^{n^{i}}.a_{i})
594 %%\end{equation}
595
596 \begin{equation}
597      {\Large \forall a_{i} \in C; p(x)=\sum^{n-1}_{i=1} a_{i}.x^{i}} 
598 \end{equation}
599 with this formula, we can have until \textit{n} non zero terms.
600
601 \subsubsection{The study condition} 
602 In order to have representative average values, for each
603 point of our curves we measured the roots finding of 10
604 different polynomials.
605
606 The our experiences results concern two parameters which are
607 the polynomial degree and the execution time of our program
608 to converge on the solution. The polynomial degree allows us
609 to validate that our algorithm is powerful with high degree
610 polynomials. The execution time remains the
611 element-key which justifies our work of parallelization.
612         For our tests we used a CPU Intel(R) Xeon(R) CPU
613 E5620@2.40GHz and a GPU Tesla C2070 (with 6 Go of ram)
614
615 \subsubsection{Comparative study}
616 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....
617
618 \paragraph{Aberth algorithm on CPU and GPU}
619
620 \begin{table}[!ht]
621         \centering
622                 \begin{tabular} {|R{2cm}|L{2.5cm}|L{2.5cm}|L{1.5cm}|L{1.5cm}|}
623                         \hline Polynomial's degrees & $T_{exe}$ on CPU & $T_{exe}$ on GPU & CPU iteration & GPU iteration\\
624                                 \hline 5000 & 1.90 & 0.40 & 18 & 17\\
625                                 \hline 10000 & 172.723 & 0.59 & 21 & 24\\
626                                 \hline 20000 & 172.723 & 1.52 & 21 & 25\\
627                                 \hline 30000 & 172.723 & 2.77 & 21 & 33\\
628                                 \hline 50000 & 172.723 & 3.92 & 21 & 18\\
629                                 \hline 500000 & $>$1h & 497.109 &  & 24\\
630                                 \hline 1000000 & $>$1h & 1,524.51& & 24\\
631                                 \hline 
632                 \end{tabular}
633         \caption{the convergence of Aberth algorithm}
634         \label{tab:theConvergenceOfAberthAlgorithm}
635 \end{table}
636  
637 \paragraph{The impact of the thread's number into the convergence of Aberth  algorithm}
638
639 \begin{table}[!h]
640         \centering
641                 \begin{tabular} {|R{2.5cm}|L{2.5cm}|L{2.5cm}|}
642                         \hline Thread's numbers & Execution time &Number of iteration\\
643                                 \hline 1024 & 523 & 27\\
644                                 \hline 512 & 449.426 & 24\\
645                                 \hline 256 & 440.805 & 24\\
646                                 \hline 128 & 456.175 & 22\\
647                                 \hline 64 & 472.862 & 23\\
648                                 \hline 32 & 830.152 & 24\\
649                                 \hline 8 & 2632.78 & 23 \\
650                                 \hline
651                                 \end{tabular}
652                                 \caption{The impact of the thread's number into the convergence of Aberth  algorithm}
653         \label{tab:Theimpactofthethread'snumberintotheconvergenceofAberthalgorithm}
654                 
655 \end{table}
656
657 \paragraph{A comparative study between Aberth and Durand-kerner algorithm}
658 \begin{table}[htbp]
659         \centering
660                 \begin{tabular} {|R{2cm}|L{2.5cm}|L{2.5cm}|L{1.5cm}|L{1.5cm}|}
661                         \hline Polynomial's degrees & Aberth $T_{exe}$ & D-Kerner $T_{exe}$ & Aberth iteration & D-Kerner iteration\\
662                         \hline 5000 &  0.40 & 3.42 & 17 & 138 \\
663                         \hline 50000 & 3.92 & 385.266 & 17 & 823\\
664                         \hline 500000 & 497.109 & 4677.36 & 24 & 214\\
665                         \hline                                  
666                                         \end{tabular}
667         \caption{Aberth algorithm compare to Durand-Kerner algorithm}
668         \label{tab:AberthAlgorithCompareToDurandKernerAlgorithm}
669 \end{table}
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672
673 \bibliography{mybibfile}
674
675 \end{document}