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Private GIT Repository
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1
2 %% bare_conf.tex
3 %% V1.4b
4 %% 2015/08/26
5 %% by Michael Shell
6 %% See:
7 %% http://www.michaelshell.org/
8 %% for current contact information.
9 %%
10 %% This is a skeleton file demonstrating the use of IEEEtran.cls
11 %% (requires IEEEtran.cls version 1.8b or later) with an IEEE
12 %% conference paper.
13 %%
14 %% Support sites:
15 %% http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/
16 %% http://www.ctan.org/pkg/ieeetran
17 %% and
18 %% http://www.ieee.org/
19
20 %%*************************************************************************
21 %% Legal Notice:
22 %% This code is offered as-is without any warranty either expressed or
23 %% implied; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
24 %% FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE! 
25 %% User assumes all risk.
26 %% In no event shall the IEEE or any contributor to this code be liable for
27 %% any damages or losses, including, but not limited to, incidental,
28 %% consequential, or any other damages, resulting from the use or misuse
29 %% of any information contained here.
30 %%
31 %% All comments are the opinions of their respective authors and are not
32 %% necessarily endorsed by the IEEE.
33 %%
34 %% This work is distributed under the LaTeX Project Public License (LPPL)
35 %% ( http://www.latex-project.org/ ) version 1.3, and may be freely used,
36 %% distributed and modified. A copy of the LPPL, version 1.3, is included
37 %% in the base LaTeX documentation of all distributions of LaTeX released
38 %% 2003/12/01 or later.
39 %% Retain all contribution notices and credits.
40 %% ** Modified files should be clearly indicated as such, including  **
41 %% ** renaming them and changing author support contact information. **
42 %%*************************************************************************
43
44
45 % *** Authors should verify (and, if needed, correct) their LaTeX system  ***
46 % *** with the testflow diagnostic prior to trusting their LaTeX platform ***
47 % *** with production work. The IEEE's font choices and paper sizes can   ***
48 % *** trigger bugs that do not appear when using other class files.       ***                          ***
49 % The testflow support page is at:
50 % http://www.michaelshell.org/tex/testflow/
51
52
53
54 \documentclass[conference]{IEEEtran}
55 % Some Computer Society conferences also require the compsoc mode option,
56 % but others use the standard conference format.
57 %
58 % If IEEEtran.cls has not been installed into the LaTeX system files,
59 % manually specify the path to it like:
60 % \documentclass[conference]{../sty/IEEEtran}
61
62
63
64
65
66 % Some very useful LaTeX packages include:
67 % (uncomment the ones you want to load)
68
69
70 % *** MISC UTILITY PACKAGES ***
71 %
72 %\usepackage{ifpdf}
73 % Heiko Oberdiek's ifpdf.sty is very useful if you need conditional
74 % compilation based on whether the output is pdf or dvi.
75 % usage:
76 % \ifpdf
77 %   % pdf code
78 % \else
79 %   % dvi code
80 % \fi
81 % The latest version of ifpdf.sty can be obtained from:
82 % http://www.ctan.org/pkg/ifpdf
83 % Also, note that IEEEtran.cls V1.7 and later provides a builtin
84 % \ifCLASSINFOpdf conditional that works the same way.
85 % When switching from latex to pdflatex and vice-versa, the compiler may
86 % have to be run twice to clear warning/error messages.
87
88
89
90
91
92
93 % *** CITATION PACKAGES ***
94 %
95 %\usepackage{cite}
96 % cite.sty was written by Donald Arseneau
97 % V1.6 and later of IEEEtran pre-defines the format of the cite.sty package
98 % \cite{} output to follow that of the IEEE. Loading the cite package will
99 % result in citation numbers being automatically sorted and properly
100 % "compressed/ranged". e.g., [1], [9], [2], [7], [5], [6] without using
101 % cite.sty will become [1], [2], [5]--[7], [9] using cite.sty. cite.sty's
102 % \cite will automatically add leading space, if needed. Use cite.sty's
103 % noadjust option (cite.sty V3.8 and later) if you want to turn this off
104 % such as if a citation ever needs to be enclosed in parenthesis.
105 % cite.sty is already installed on most LaTeX systems. Be sure and use
106 % version 5.0 (2009-03-20) and later if using hyperref.sty.
107 % The latest version can be obtained at:
108 % http://www.ctan.org/pkg/cite
109 % The documentation is contained in the cite.sty file itself.
110
111
112
113
114
115
116 % *** GRAPHICS RELATED PACKAGES ***
117 %
118 \ifCLASSINFOpdf
119    \usepackage[pdftex]{graphicx}
120    
121   % declare the path(s) where your graphic files are
122   % \graphicspath{{../pdf/}{../jpeg/}}
123   % and their extensions so you won't have to specify these with
124   % every instance of \includegraphics
125   % \DeclareGraphicsExtensions{.pdf,.jpeg,.png}
126 \else
127   % or other class option (dvipsone, dvipdf, if not using dvips). graphicx
128   % will default to the driver specified in the system graphics.cfg if no
129   % driver is specified.
130   % \usepackage[dvips]{graphicx}
131   % declare the path(s) where your graphic files are
132   % \graphicspath{{../eps/}}
133   % and their extensions so you won't have to specify these with
134   % every instance of \includegraphics
135   % \DeclareGraphicsExtensions{.eps}
136 \fi
137 % graphicx was written by David Carlisle and Sebastian Rahtz. It is
138 % required if you want graphics, photos, etc. graphicx.sty is already
139 % installed on most LaTeX systems. The latest version and documentation
140 % can be obtained at: 
141 % http://www.ctan.org/pkg/graphicx
142 % Another good source of documentation is "Using Imported Graphics in
143 % LaTeX2e" by Keith Reckdahl which can be found at:
144 % http://www.ctan.org/pkg/epslatex
145 %
146 % latex, and pdflatex in dvi mode, support graphics in encapsulated
147 % postscript (.eps) format. pdflatex in pdf mode supports graphics
148 % in .pdf, .jpeg, .png and .mps (metapost) formats. Users should ensure
149 % that all non-photo figures use a vector format (.eps, .pdf, .mps) and
150 % not a bitmapped formats (.jpeg, .png). The IEEE frowns on bitmapped formats
151 % which can result in "jaggedy"/blurry rendering of lines and letters as
152 % well as large increases in file sizes.
153 %
154 % You can find documentation about the pdfTeX application at:
155 % http://www.tug.org/applications/pdftex
156
157
158
159
160
161 % *** MATH PACKAGES ***
162 %
163 \usepackage{amsmath}
164 % A popular package from the American Mathematical Society that provides
165 % many useful and powerful commands for dealing with mathematics.
166 %
167 % Note that the amsmath package sets \interdisplaylinepenalty to 10000
168 % thus preventing page breaks from occurring within multiline equations. Use:
169 %\interdisplaylinepenalty=2500
170 % after loading amsmath to restore such page breaks as IEEEtran.cls normally
171 % does. amsmath.sty is already installed on most LaTeX systems. The latest
172 % version and documentation can be obtained at:
173 % http://www.ctan.org/pkg/amsmath
174
175
176
177
178
179 % *** SPECIALIZED LIST PACKAGES ***
180 %
181 \usepackage{algorithmic}
182 % algorithmic.sty was written by Peter Williams and Rogerio Brito.
183 % This package provides an algorithmic environment fo describing algorithms.
184 % You can use the algorithmic environment in-text or within a figure
185 % environment to provide for a floating algorithm. Do NOT use the algorithm
186 % floating environment provided by algorithm.sty (by the same authors) or
187 % algorithm2e.sty (by Christophe Fiorio) as the IEEE does not use dedicated
188 % algorithm float types and packages that provide these will not provide
189 % correct IEEE style captions. The latest version and documentation of
190 % algorithmic.sty can be obtained at:
191 % http://www.ctan.org/pkg/algorithms
192 % Also of interest may be the (relatively newer and more customizable)
193 % algorithmicx.sty package by Szasz Janos:
194 % http://www.ctan.org/pkg/algorithmicx
195 \usepackage[ruled,vlined]{algorithm2e}
196
197
198
199 % *** ALIGNMENT PACKAGES ***
200 %
201 %\usepackage{array}
202 % Frank Mittelbach's and David Carlisle's array.sty patches and improves
203 % the standard LaTeX2e array and tabular environments to provide better
204 % appearance and additional user controls. As the default LaTeX2e table
205 % generation code is lacking to the point of almost being broken with
206 % respect to the quality of the end results, all users are strongly
207 % advised to use an enhanced (at the very least that provided by array.sty)
208 % set of table tools. array.sty is already installed on most systems. The
209 % latest version and documentation can be obtained at:
210 % http://www.ctan.org/pkg/array
211
212
213 % IEEEtran contains the IEEEeqnarray family of commands that can be used to
214 % generate multiline equations as well as matrices, tables, etc., of high
215 % quality.
216
217
218
219
220 % *** SUBFIGURE PACKAGES ***
221 %\ifCLASSOPTIONcompsoc
222 %  \usepackage[caption=false,font=normalsize,labelfont=sf,textfont=sf]{subfig}
223 %\else
224 %  \usepackage[caption=false,font=footnotesize]{subfig}
225 %\fi
226 % subfig.sty, written by Steven Douglas Cochran, is the modern replacement
227 % for subfigure.sty, the latter of which is no longer maintained and is
228 % incompatible with some LaTeX packages including fixltx2e. However,
229 % subfig.sty requires and automatically loads Axel Sommerfeldt's caption.sty
230 % which will override IEEEtran.cls' handling of captions and this will result
231 % in non-IEEE style figure/table captions. To prevent this problem, be sure
232 % and invoke subfig.sty's "caption=false" package option (available since
233 % subfig.sty version 1.3, 2005/06/28) as this is will preserve IEEEtran.cls
234 % handling of captions.
235 % Note that the Computer Society format requires a larger sans serif font
236 % than the serif footnote size font used in traditional IEEE formatting
237 % and thus the need to invoke different subfig.sty package options depending
238 % on whether compsoc mode has been enabled.
239 %
240 % The latest version and documentation of subfig.sty can be obtained at:
241 % http://www.ctan.org/pkg/subfig
242
243
244
245
246 % *** FLOAT PACKAGES ***
247 %
248 %\usepackage{fixltx2e}
249 % fixltx2e, the successor to the earlier fix2col.sty, was written by
250 % Frank Mittelbach and David Carlisle. This package corrects a few problems
251 % in the LaTeX2e kernel, the most notable of which is that in current
252 % LaTeX2e releases, the ordering of single and double column floats is not
253 % guaranteed to be preserved. Thus, an unpatched LaTeX2e can allow a
254 % single column figure to be placed prior to an earlier double column
255 % figure.
256 % Be aware that LaTeX2e kernels dated 2015 and later have fixltx2e.sty's
257 % corrections already built into the system in which case a warning will
258 % be issued if an attempt is made to load fixltx2e.sty as it is no longer
259 % needed.
260 % The latest version and documentation can be found at:
261 % http://www.ctan.org/pkg/fixltx2e
262
263
264 %\usepackage{stfloats}
265 % stfloats.sty was written by Sigitas Tolusis. This package gives LaTeX2e
266 % the ability to do double column floats at the bottom of the page as well
267 % as the top. (e.g., "\begin{figure*}[!b]" is not normally possible in
268 % LaTeX2e). It also provides a command:
269 %\fnbelowfloat
270 % to enable the placement of footnotes below bottom floats (the standard
271 % LaTeX2e kernel puts them above bottom floats). This is an invasive package
272 % which rewrites many portions of the LaTeX2e float routines. It may not work
273 % with other packages that modify the LaTeX2e float routines. The latest
274 % version and documentation can be obtained at:
275 % http://www.ctan.org/pkg/stfloats
276 % Do not use the stfloats baselinefloat ability as the IEEE does not allow
277 % \baselineskip to stretch. Authors submitting work to the IEEE should note
278 % that the IEEE rarely uses double column equations and that authors should try
279 % to avoid such use. Do not be tempted to use the cuted.sty or midfloat.sty
280 % packages (also by Sigitas Tolusis) as the IEEE does not format its papers in
281 % such ways.
282 % Do not attempt to use stfloats with fixltx2e as they are incompatible.
283 % Instead, use Morten Hogholm'a dblfloatfix which combines the features
284 % of both fixltx2e and stfloats:
285 %
286 % \usepackage{dblfloatfix}
287 % The latest version can be found at:
288 % http://www.ctan.org/pkg/dblfloatfix
289
290
291
292
293 % *** PDF, URL AND HYPERLINK PACKAGES ***
294 %
295 %\usepackage{url}
296 % url.sty was written by Donald Arseneau. It provides better support for
297 % handling and breaking URLs. url.sty is already installed on most LaTeX
298 % systems. The latest version and documentation can be obtained at:
299 % http://www.ctan.org/pkg/url
300 % Basically, \url{my_url_here}.
301
302
303
304
305 % *** Do not adjust lengths that control margins, column widths, etc. ***
306 % *** Do not use packages that alter fonts (such as pslatex).         ***
307 % There should be no need to do such things with IEEEtran.cls V1.6 and later.
308 % (Unless specifically asked to do so by the journal or conference you plan
309 % to submit to, of course. )
310
311
312 % correct bad hyphenation here
313 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
314 %\usepackage{graphicx}
315 \bibliographystyle{IEEEtran}
316 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
317 %\bibliography{IEEEabrv,../bib/paper}
318 %\bibliographystyle{elsarticle-num}
319
320
321
322
323 \usepackage{amsfonts}
324 \usepackage[utf8]{inputenc}
325 \usepackage[T1]{fontenc}
326 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
327 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
328   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
329
330
331
332
333
334 \begin{document}
335 %
336 % paper title
337 % Titles are generally capitalized except for words such as a, an, and, as,
338 % at, but, by, for, in, nor, of, on, or, the, to and up, which are usually
339 % not capitalized unless they are the first or last word of the title.
340 % Linebreaks \\ can be used within to get better formatting as desired.
341 % Do not put math or special symbols in the title.
342 \title{Two parallel implementations of Ehrlich-Aberth algorithm for root-finding of polynomials on multiple GPUs with OpenMP and MPI}
343
344
345 % author names and affiliations
346 % use a multiple column layout for up to three different
347 % affiliations
348 \author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell}
349 \IEEEauthorblockA{School of Electrical and\\Computer Engineering\\
350 Georgia Institute of Technology\\
351 Atlanta, Georgia 30332--0250\\
352 Email: http://www.michaelshell.org/contact.html}
353 \and
354 \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
355 \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
356 Springfield, USA\\
357 Email: homer@thesimpsons.com}
358 \and
359 \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
360 \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
361 San Francisco, California 96678--2391\\
362 Telephone: (800) 555--1212\\
363 Fax: (888) 555--1212}}
364
365 % conference papers do not typically use \thanks and this command
366 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
367 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
368 % after \documentclass
369
370 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
371 % of the page, use this alternative format:
372
373 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
374 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
375 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
376 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
377 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
378 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
379 %Georgia Institute of Technology,
380 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
381 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
382 %Email: homer@thesimpsons.com}
383 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
384 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
385 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
386
387
388
389
390 % use for special paper notices
391 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
392
393
394
395
396 % make the title area
397 \maketitle
398
399 % As a general rule, do not put math, special symbols or citations
400 % in the abstract
401 \begin{abstract}
402 \LZK{J'ai un peu modifié l'abstract. Sinon à revoir pour le degré max des polynômes après les tests de raph.}
403 Finding roots of polynomials is a very important part of solving real-life problems but it is not so easy for polynomials of high degrees. In this paper, we present two different parallel algorithms of the Ehrlich-Aberth method to find roots of sparse and fully defined polynomials of high degrees. Both algorithms are based on CUDA technology to be implemented on multi-GPU computing platforms but each using different parallel paradigms: OpenMP or MPI. The experiments show a quasi-linear speedup by using up-to 4 GPU devices to find roots of polynomials of degree up-to 1.4 billion. To our knowledge, this is the first paper to present this technology mix to solve such a highly demanding problem in parallel programming. 
404 \LZK{Je n'ai pas bien saisi la dernière phrase.}
405 \end{abstract}
406
407 % no keywords
408
409
410
411
412 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
413 % page as needed:
414 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
415 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
416 % \fi
417 %
418 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
419 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
420 \IEEEpeerreviewmaketitle
421
422
423 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
424 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
425 \section{Introduction}
426 %Polynomials are mathematical algebraic structures that play an important role in science and engineering by capturing physical phenomena and expressing any outcome as a function of some unknown variables. Formally speaking, a polynomial $p(x)$ of degree $n$ having $n$ coefficients in the complex plane $\mathbb{C}$ is:
427 %\begin{equation}
428 %p(x)=\sum_{i=0}^{n}{a_ix^i}.
429 %\end{equation}
430 %\LZK{Dans ce cas le polynôme a $n+1$ coefficients et non pas $n$!}
431
432 %The issue of finding the roots of polynomials of very high degrees arises in many complex problems in various fields, such as algebra, biology, finance, physics or climatology [1]. In algebra for example, finding eigenvalues or eigenvectors of any real/complex matrix amounts to that of finding the roots of the so-called characteristic polynomial.
433
434 Finding roots of polynomials of very high degrees arises in many complex problems in various domains such as algebra, biology or physics. A polynomial $p(x)$ in $\mathbb{C}$ in one variable $x$ is an algebraic expression in $x$ of the form
435 \begin{equation}
436 p(x) = \displaystyle\sum^n_{i=0}{a_ix^i},a_0\neq 0. 
437 \end{equation}
438 where $\{a_i\}_{0\leq i\leq n}$ are complex coefficients and $n$ is a high integer number. If $a_n\neq0$ then $n$ is called the degree of the polynomial. The root-finding problem consists in finding the $n$ different values of the unknown variable $x$ for which $p(x)=0$. Such values are called roots of $p(x)$. Let $\{z_i\}_{1\leq i\leq n}$ be the roots of polynomial $p(x)$, then $p(x)$ can be written as :
439 \begin{equation}
440  p(x)=a_n\displaystyle\prod_{i=1}^n(x-z_i), a_n\neq 0.
441 \end{equation}
442 \LZK{Pourquoi $a_0a_n\neq 0$ ?: $a_0$ pour la premiere equation et $a_n$ pour la deuxieme equation }
443
444 %The problem of finding the roots of polynomials can be encountered in numerous applications. \LZK{A mon avis on peut supprimer cette phrase}
445 Most of the numerical methods that deal with the polynomial root-finding problem are simultaneous methods, \textit{i.e.} the iterative methods to find simultaneous approximations of the $n$ polynomial roots. These methods start from the initial approximations of all $n$ polynomial roots and give a sequence of approximations that converge to the roots of the polynomial. Two examples of well-known simultaneous methods for root-finding problem of polynomials are  Durand-Kerner method~\cite{Durand60,Kerner66} and Ehrlich-Aberth method~\cite{Ehrlich67,Aberth73}.
446 \LZK{Pouvez-vous donner des références pour les deux méthodes?, c'est fait}
447
448 %The first method of this group is Durand-Kerner method:
449 %\begin{equation}
450 %\label{DK}
451 % 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, \ldots, n,
452 %\end{equation}
453 %where $z_i^k$ is the $i^{th}$ root of the polynomial $p$ at the iteration $k$. Another method discovered by Borsch-Supan~\cite{ Borch-Supan63} and also described by Ehrlich~\cite{Ehrlich67} and Aberth~\cite{Aberth73} uses a different iteration form as follows:
454 %%\begin{center}
455 %\begin{equation}
456 %\label{Eq:EA}
457  %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, \ldots, n,
458 %\end{equation}
459 %%\end{center}
460 %where $p'(z)$ is the polynomial derivative of $p$ evaluated in the point $z$.
461
462 %Aberth, Ehrlich and Farmer-Loizou~\cite{Loizou83} have proved that
463 %the Ehrlich-Aberth method (EA) has a cubic order of convergence for simple roots whereas the Durand-Kerner has a quadratic order of %convergence.
464
465 The main problem of the simultaneous methods is that the necessary time needed for the convergence increases with the increasing of the polynomial's degree. Many authors have treated the problem of implementing  simultaneous methods in parallel. Freeman~\cite{Freeman89} implemented and compared Durand-Kerner method, Ehrlich-Aberth method and another method of the fourth order of convergence proposed by Farmer and Loizou~\cite{Loizou83} on a 8-processor linear chain, for polynomials of degree up-to 8. The method of Farmer and Loizou~\cite{Loizou83} often diverges, but the first two methods (Durand-Kerner and Ehrlich-Aberth methods) have a speed-up equals to 5.5. Later, Freeman and Bane~\cite{Freemanall90} considered asynchronous algorithms in which each processor continues to update its approximations even though the latest values of other approximations $z^{k}_{i}$ have not been received from the other processors, in contrast with synchronous algorithms where it would wait those values before making a new iteration. Couturier et al.~\cite{Raphaelall01} proposed two methods of parallelization for a shared memory architecture with OpenMP and for a distributed memory one with MPI. They are able to compute the roots of sparse polynomials of degree 10,000 in 116 seconds with OpenMP and 135 seconds with MPI only by using 8 personal computers and 2 communications per iteration. The authors showed an interesting speedup comparing to the sequential implementation which takes up-to 3,300 seconds to obtain same results.
466 \LZK{``only by using 8 personal computers and 2 communications per iteration''. Pour MPI? et Pour OpenMP: Rep: c'est MPI seulement}
467
468 Very few work had been performed since then until the appearing of the Compute Unified Device Architecture (CUDA)~\cite{CUDA15}, a parallel computing platform and a programming model invented by NVIDIA. The computing power of GPUs (Graphics Processing Units) has exceeded that of traditional processors CPUs. However, CUDA adopts a totally new computing architecture to use the hardware resources provided by the GPU in order to offer a stronger computing ability to the massive data computing. Ghidouche et al.~\cite{Kahinall14} proposed an implementation of the Durand-Kerner method on a single GPU. Their main results showed that a parallel CUDA implementation is about 10 times faster than the sequential implementation on a single CPU for sparse polynomials of degree 48,000.
469
470 %Finding polynomial roots rapidly and accurately is the main objective of our work. In this paper we propose the parallelization of Ehrlich-Aberth method using two parallel programming paradigms OpenMP and MPI on multi-GPU platforms. We consider two architectures: shared memory and distributed memory computers. The first parallel algorithm is implemented on shared memory computers by using OpenMP API. It is based on threads created from the same system process, such that each thread is attached to one GPU. In this case the communications between GPUs are done by OpenMP threads through shared memory. The second parallel algorithm uses the MPI API, such that each GPU is attached and managed by a MPI process. The GPUs exchange their data by message-passing communications. This latter approach is more used on distributed memory clusters to solve very complex problems that are too large for traditional supercomputers, which are very expensive to build and run.
471 %\LZK{Cette partie est réécrite. \\ Sinon qu'est ce qui a été fait pour l'accuracy dans ce papier (Finding polynomial roots rapidly and accurately is the main objective of our work.)?}
472 %\LZK{Les contributions ne sont pas définies !!}
473
474 In this paper we propose the parallelization of Ehrlich-Aberth method using two parallel programming paradigms OpenMP and MPI on CUDA multi-GPU platforms. Our CUDA/MPI and CUDA/OpenMP codes are the first implementations of Ehrlich-Aberth method with multiple GPUs for finding roots of polynomials. Our major contributions include:
475 \LZK{Pourquoi la méthode Ehrlich-Aberth et pas autres? the Ehrlich-Aberth have very good convergence  and it is suitable to be implemented in parallel computers.}
476  \begin{itemize}
477  \item An improvements for the Ehrlich-Aberth method using the exponential logarithm in order to be able to solve sparse and full polynomial of degree up to 1, 000, 000.
478  \item A parallel implementation of Ehrlich-Aberth method on single GPU with CUDA.
479 \item The parallel implementation of Ehrlich-Aberth algorithm on a multi-GPU platform with a shared memory using OpenMP API. It is based on threads created from the same system process, such that each thread is attached to one GPU. In this case the communications between GPUs are done by OpenMP threads through shared memory.
480 \item The parallel implementation of Ehrlich-Aberth algorithm on a multi-GPU platform with a distributed memory using MPI API, such that each GPU is attached and managed by a MPI process. The GPUs exchange their data by message-passing communications. This latter approach is more used on clusters to solve very complex problems that are too large for traditional supercomputers, which are very expensive to build and run.
481  \end{itemize}
482 \LZK{Pas d'autres contributions possibles?: j'ai rajouté 2}
483
484 %This paper is organized as follows. In Section~\ref{sec2} we recall the Ehrlich-Aberth method. In section~\ref{sec3} we present EA algorithm on single GPU. In section~\ref{sec4} we propose the EA algorithm implementation on Multi-GPU for (OpenMP-CUDA) approach and (MPI-CUDA) approach. In sectioné\ref{sec5} we present our experiments and discus it. Finally, Section~\ref{sec6} concludes this paper and gives some hints for future research directions in this topic.}
485
486 The paper is organized as follows. In Section~\ref{sec2} we present three different parallel programming models OpenMP, MPI and CUDA. In Section~\ref{sec3} we present the implementation of the Ehrlich-Aberth algorithm on a single GPU. In Section~\ref{sec4} we present the parallel implementations of the Ehrlich-Aberth algorithm on Multi-GPU using the OpenMP and MPI approaches. In section\ref{sec5} we present our experiments and discus it. Finally, Section~\ref{sec6} concludes this paper and gives some hints for future research directions in this topic. 
487 \LZK{A revoir toute cette organization: je viens de la revoir}
488
489 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
490 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
491  
492 \section{Parallel programming models}
493 \label{sec2}
494 Our objective consists in implementing a root-finding algorithm of polynomials on multiple GPUs. To this end, it is primordial to know how to manage CUDA contexts of different GPUs. A direct method for controlling the various GPUs is to use as many threads or processes as GPU devices. We investigate two parallel paradigms: OpenMP and MPI. In this case, the GPU indices are defined according to the identifiers of the OpenMP threads or the ranks of the MPI processes. In this section we present the parallel programming models: OpenMP, MPI and CUDA.
495  
496 \subsection{OpenMP}
497 %Open Multi-Processing (OpenMP) is a shared memory architecture API that provides multi thread capacity~\cite{openmp13}. OpenMP is a portable approach for parallel programming on shared memory systems based on compiler directives, that can be included in order to parallelize a loop. In this way, a set of loops can be distributed along the different threads that will access to different data allocated in local shared memory. One of the advantages of OpenMP is its global view of application memory address space that allows relatively fast development of parallel applications with easier maintenance. However, it is often difficult to get high rates of performance in large scale applications. Although usage of OpenMP  threads and managed data explicitly done with MPI can be considered, this approcache undermines the advantages of OpenMP.
498
499 %\subsection{OpenMP} 
500 %OpenMP is a shared memory programming API based on threads from
501 %the same system process. Designed for multiprocessor shared memory UMA or
502 %NUMA [10], it relies on the execution model SPMD ( Single Program, Multiple Data Stream )
503 %where the thread "master" and threads "slaves" asynchronously execute their codes
504 %communicate / synchronize via shared memory [7]. It also helps to build
505 %the loop parallelism and is very suitable for an incremental code parallelization
506 %Sequential natively. Threads share some or all of the available memory and can
507 %have private memory areas [6].
508
509 OpenMP (Open Multi-processing) is an application programming interface for parallel programming~\cite{openmp13}. It is a portable approach based on the multithreading designed for shared memory computers, where a master thread forks a number of slave threads which execute blocks of code in parallel. An OpenMP program alternates sequential regions and parallel regions of code, where the sequential regions are executed by the master thread and the parallel ones may be executed by multiple threads. During the execution of an OpenMP program the threads communicate their data (read and modified) in the shared memory. One advantage of OpenMP is the global view of the memory address space of an application. This allows relatively a fast development of parallel applications with easier maintenance. However, it is often difficult to get high rates of performances in large scale-applications. 
510
511 \subsection{MPI} 
512 %The MPI (Message Passing Interface) library allows to create computer programs that run on a distributed memory architecture. The various processes have their own environment of execution and execute their code in a asynchronous way, according to the MIMD model  (Multiple Instruction streams, Multiple Data streams); they communicate and synchronize by exchanging messages~\cite{Peter96}. MPI messages are explicitly sent, while the exchanges are implicit within the framework of a multi-thread programming environment like OpenMP or Pthreads.
513
514 MPI (Message Passing Interface) is a portable message passing style of the parallel programming designed especially for the distributed memory architectures~\cite{Peter96}. In most MPI implementations, a computation contains a fixed set of processes created at the initialization of the program in such way one process is created per processor. The processes synchronize their computations and communicate by sending/receiving messages to/from other processes. In this case, the data are explicitly exchanged by message passing while the data exchanges are implicit in a multithread programming model like OpenMP and Pthreads. However in the MPI programming model, the processes may either execute different programs referred to as multiple program multiple data (MPMD) or every process executes the same program (SPMD). The MPI approach is one of most used HPC programming model to solve large scale and complex applications.
515  
516 \subsection{CUDA}
517 %CUDA (is an acronym of the Compute Unified Device Architecture) is a parallel computing architecture developed by NVIDIA~\cite{CUDA10}.The unit of execution in CUDA is called a thread. Each thread executes a kernel by the streaming processors in parallel. In CUDA, a group of threads that are executed together is called a thread block, and the computational grid consists of a grid of thread blocks. Additionally, a thread block can use the shared memory on a single multiprocessor while the grid executes a single CUDA program logically in parallel. Thus in CUDA programming, it is necessary to design carefully the arrangement of the thread blocks in order to ensure low latency and a proper usage of shared memory, since it can be shared only in a thread block scope. The effective bandwidth of each memory space depends on the memory access pattern. Since the global memory has lower bandwidth than the shared memory, the global memory accesses should be minimized.
518
519 CUDA (Compute Unified Device Architecture) is a parallel computing architecture developed by NVIDIA~\cite{CUDA15} for GPUs. It provides a high level GPGPU-based programming model to program GPUs for general purpose computations and non-graphic applications. The GPU is viewed as an accelerator such that data-parallel operations of a CUDA program running on a CPU are off-loaded onto GPU and executed by this later. The data-parallel operations executed by GPUs are called kernels. The same kernel is executed in parallel by a large number of threads organized in grids of thread blocks, such that each GPU multiprocessor executes one or more thread blocks in SIMD fashion (Single Instruction, Multiple Data) and in turn each core of the multiprocessor executes one or more threads within a block. Threads within a block can cooperate by sharing data through a fast shared memory and coordinate their execution through synchronization points. In contrast, within a grid of thread blocks, there is no synchronization at all between blocks. The GPU only works on data filled in the global memory and the final results of the kernel executions must be transferred out of the GPU. In the GPU, the global memory has lower bandwidth than the shared memory associated to each multiprocessor. Thus in the CUDA programming, it is necessary to design carefully the arrangement of the thread blocks in order to ensure low latency and a proper usage of the shared memory, and the global memory accesses should be minimized.
520
521 %We introduced three paradigms of parallel programming. Our objective consists in implementing a root finding polynomial algorithm on multiple GPUs. To this end, it is primordial to know how to manage CUDA contexts of different GPUs. A direct method for controlling the various GPUs is to use as many threads or processes as GPU devices. We can choose the GPU index based on the identifier of OpenMP thread or the rank of the MPI process. Both approaches will be investigated.
522
523 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
524 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
525
526 \section{The Ehrlich-Aberth algorithm on a GPU}
527 \label{sec3}
528
529 \subsection{The Ehrlich-Aberth method}
530 %A cubically convergent iteration method to find zeros of
531 %polynomials was proposed by O. Aberth~\cite{Aberth73}. The
532 %Ehrlich-Aberth (EA is short) method contains 4 main steps, presented in what
533 %follows.
534
535 %The Aberth method is a purely algebraic derivation. 
536 %To illustrate the derivation, we let $w_{i}(z)$ be the product of linear factors 
537
538 %\begin{equation}
539 %w_{i}(z)=\prod_{j=1,j \neq i}^{n} (z-x_{j})
540 %\end{equation}
541
542 %And let a rational function $R_{i}(z)$ be the correction term of the
543 %Weistrass method~\cite{Weierstrass03}
544
545 %\begin{equation}
546 %R_{i}(z)=\frac{p(z)}{w_{i}(z)} , i=1,2,...,n.
547 %\end{equation}
548
549 %Differentiating the rational function $R_{i}(z)$ and applying the
550 %Newton method, we have:
551
552 %\begin{equation}
553 %\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
554 %\end{equation}
555 %where R_{i}^{'}(z)is the rational function derivative of F evaluated in the point z 
556 %Substituting $x_{j}$ for $z_{j}$ we obtain the Aberth iteration method.% 
557
558
559 %\subsubsection{Polynomials Initialization}
560 %The initialization of a polynomial $p(z)$ is done by setting each of the $n$ complex coefficients %$a_{i}$:
561
562 %\begin{equation}
563 %\label{eq:SimplePolynome}
564 %  p(z)=\sum{a_{i}z^{n-i}} , a_{n} \neq 0,a_{0}=1, a_{i}\subset C
565 %\end{equation}
566
567
568 %\subsubsection{Vector $Z^{(0)}$ Initialization}
569 %\label{sec:vec_initialization}
570 %As for any iterative method, we need to choose $n$ initial guess points $z^{0}_{i}, i = 1, . . . , %n.$
571 %The initial guess is very important since the number of steps needed by the iterative method to %reach
572 %a given approximation strongly depends on it.
573 %In~\cite{Aberth73} the Ehrlich-Aberth iteration is started by selecting $n$
574 %equi-distant points on a circle of center 0 and radius r, where r is
575 %an upper bound to the moduli of the zeros. Later, Bini and al.~\cite{Bini96}
576 %performed this choice by selecting complex numbers along different
577 %circles which relies on the result of~\cite{Ostrowski41}.
578
579 %\begin{equation}
580 %\label{eq:radiusR}
581 %%\begin{align}
582 %\sigma_{0}=\frac{u+v}{2};u=\frac{\sum_{i=1}^{n}u_{i}}{n.max_{i=1}^{n}u_{i}};
583 %v=\frac{\sum_{i=0}^{n-1}v_{i}}{n.min_{i=0}^{n-1}v_{i}};\\
584 %%\end{align}
585 %\end{equation}
586 %Where:
587 %\begin{equation}
588 %u_{i}=2.|a_{i}|^{\frac{1}{i}};
589 %v_{i}=\frac{|\frac{a_{n}}{a_{i}}|^{\frac{1}{n-i}}}{2}.
590 %\end{equation}
591
592 %\subsubsection{Iterative Function}
593 %The operator used by the Aberth method  corresponds to the
594 %equation~\ref{Eq:EA1}, it enables the convergence towards
595 %the polynomials zeros, provided all the roots are distinct.
596
597 %Here we give a second form of the iterative function used by the Ehrlich-Aberth method: 
598
599 %\begin{equation}
600 %\label{Eq:EA1}
601 %EA: z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
602 %{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=1,. . . .,n
603 %\end{equation}
604
605 %\subsubsection{Convergence Condition}
606 %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:
607
608 %\begin{equation}
609 %\label{eq:Aberth-Conv-Cond}
610 %\forall i \in [1,n];\vert\frac{z_{i}^{k}-z_{i}^{k-1}}{z_{i}^{k}}\vert<\xi
611 %\end{equation}
612
613
614 %\begin{figure}[htbp]
615 %\centering
616  % \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{EA-Algorithm}
617 %\caption{The Ehrlich-Aberth algorithm on single GPU}
618 %\label{fig:03}
619 %\end{figure}
620
621 %the Ehrlich-Aberth method is an iterative  method, contain 4 steps, start from the initial approximations of all the roots of the polynomial,the second step initialize the solution vector $Z$ using the Guggenheimer method to assure the distinction of the initial vector roots, than in step 3 we apply the the iterative function based on the Newton's method and Weiestrass operator~\cite{,}, witch will make it possible to converge to the roots solution, provided that all the root are different.
622
623 The Ehrlich-Aberth method is a simultaneous method~\cite{} using the following iteration
624 \begin{equation}
625 \label{Eq:EA1}
626 EA: z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
627 {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=1,. . . .,n
628 \end{equation}
629
630 contain 4 steps, start from the initial approximations of all the roots of the polynomial,the second step initialize the solution vector $Z$ using the Guggenheimer~\cite{Gugg86} method to assure the distinction of the initial vector roots,
631
632  than in step 3 we apply the the iterative function based on the Newton's method~\cite{newt70} and Weiestrass operator~\cite{Weierstrass03}, wich will make it possible to converge to the roots solution, provided that all the root are different.
633
634
635  At the end of each application of the iterative function, a stop condition is verified consists in stopping the iterative process when the whole of the modules of the roots are lower than a fixed value $\xi$. 
636
637 \begin{equation}
638 \label{eq:Aberth-Conv-Cond}
639 \forall i \in [1,n];\vert\frac{z_{i}^{k}-z_{i}^{k-1}}{z_{i}^{k}}\vert<\xi
640 \end{equation}
641 \subsection{Improving Ehrlich-Aberth method}
642 ......
643 \subsection{Ehrlich-Aberth parallel implementation on CUDA}
644 We introduced three paradigms of parallel programming. Our objective consists in implementing a root finding polynomial algorithm on multiple GPUs. To this end, it is primordial to know how to manage CUDA contexts of different GPUs. A direct method for controlling the various GPUs is to use as many threads or processes as GPU devices. We can choose the GPU index based on the identifier of OpenMP thread or the rank of the MPI process. Both approaches will be investigated.
645
646
647
648
649 Like any parallel code, a GPU parallel implementation first
650 requires to determine the sequential tasks and the
651 parallelizable parts of the sequential version of the
652 program/algorithm. In our case, all the operations that are easy
653 to execute in parallel must be made by the GPU to accelerate
654 the execution of the application, like the step 3 and step 4. On the other hand, all the
655 sequential operations and the operations that have data
656 dependencies between threads or recursive computations must
657 be executed by only one CUDA or CPU thread (step 1 and step 2). Initially, we specify the organization of parallel threads, by specifying the dimension of the grid Dimgrid, the number of blocks per grid DimBlock and the number of threads per block. 
658
659 The code is organzed  by what is named kernels, portions o code that are run on GPU devices. For step 3, there are two kernels, the
660 first named \textit{save} is used to save vector $Z^{K-1}$ and the seconde one is named
661 \textit{update} and is used to update the $Z^{K}$ vector. For step 4, a kernel 
662 tests the convergence of the method. In order to
663 compute the function H, we have two possibilities: either to use
664 the Jacobi mode, or the Gauss-Seidel mode of iterating which uses the
665 most recent computed roots. It is well known that the Gauss-
666 Seidel mode converges more quickly. So, we used the Gauss-Seidel mode of iteration. To
667 parallelize the code, we created kernels and many functions to
668 be executed on the GPU for all the operations dealing with the
669 computation on complex numbers and the evaluation of the
670 polynomials. As said previously, we managed both functions
671 of evaluation of a polynomial: the normal method, based on
672 the method of Horner and the method based on the logarithm
673 of the polynomial. All these methods were rather long to
674 implement, as the development of corresponding kernels with
675 CUDA is longer than on a CPU host. This comes in particular
676 from the fact that it is very difficult to debug CUDA running
677 threads like threads on a CPU host. In the following paragraph
678 Algorithm~\ref{alg1-cuda} shows the GPU parallel implementation of Ehrlich-Aberth method.
679
680 \begin{enumerate}
681 \begin{algorithm}[htpb]
682 \label{alg1-cuda}
683 %\LinesNumbered
684 \caption{CUDA Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
685
686 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (Error tolerance
687   threshold), P (Polynomial to solve), Pu (Derivative of P), $n$ (Polynomial degrees), $\Delta z_{max}$ (Maximum value of stop condition)}
688
689 \KwOut {$Z$ (Solution root's vector), $ZPrec$ (Previous solution root's vector)}
690
691 %\BlankLine
692
693 \item Initialization of the of P\;
694 \item Initialization of the of Pu\;
695 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
696 \item Allocate and copy initial data to the GPU global memory\;
697 \item k=0\;
698 \While {$\Delta z_{max} > \epsilon$}{
699 \item Let $\Delta z_{max}=0$\;
700 \item $ kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
701 \item  k=k+1\;
702 \item $ kernel\_update(Z,P,Pu)$\;
703 \item $kernel\_testConverge(\Delta z_{max},Z,ZPrec)$\;
704
705 }
706 \item Copy results from GPU memory to CPU memory\;
707 \end{algorithm}
708 \end{enumerate}
709 ~\\ 
710
711
712  
713 \section{The EA algorithm on Multiple GPUs}
714 \label{sec4}
715 \subsection{M-GPU : an OpenMP-CUDA approach}
716 Our OpenMP-CUDA implementation of EA algorithm is based on the hybrid OpenMP and CUDA programming model. It works as follows.
717 Based on the metadata, a shared memory is used to make data evenly shared among OpenMP threads. The shared data are the solution vector $Z$, the polynomial to solve $P$, and  the error vector $\Delta z$. Let (T\_omp) the number of OpenMP threads be equal to the number of GPUs, each OpenMP thread binds to one GPU,  and controls a part of the shared memory, that is a part of the vector Z , that is $(n/num\_gpu)$ roots where $n$ is the polynomial's degree and $num\_gpu$ the total number of available GPUs. Each OpenMP thread copies its data from host memory to GPU’s device memory. Then every GPU will have a grid of computation organized according to the device performance and the size of data on which it runs the computation kernels. %In principle a grid is set by two parameter DimGrid, the number of block per grid, DimBloc: the number of threads per block. The following schema  shows the architecture of (CUDA,OpenMP).
718
719 %\begin{figure}[htbp]
720 %\centering
721  % \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{OpenMP-CUDA}
722 %\caption{The OpenMP-CUDA architecture}
723 %\label{fig:03}
724 %\end{figure}
725 %Each thread OpenMP compute the kernels on GPUs,than after each iteration they copy out the data from GPU memory to CPU shared memory. The kernels are re-runs is up to the roots converge sufficiently. Here are below the corresponding algorithm:
726
727 $num\_gpus$ OpenMP threads  are created using \verb=omp_set_num_threads();=function (step $3$, Algorithm \ref{alg2-cuda-openmp}), the shared memory is created using \verb=#pragma omp parallel shared()= OpenMP function (line $5$, Algorithm\ref{alg2-cuda-openmp}), then each OpenMP thread allocates memory and copies initial data from CPU memory to GPU global memory, executes the kernels on GPU, but computes only his portion of roots indicated with variable \textit{index} initialized in (line 5, Algorithm \ref{alg2-cuda-openmp}), used as input data in the $kernel\_update$ (line 10, Algorithm \ref{alg2-cuda-openmp}). After each iteration, all OpenMP threads synchronize using \verb=#pragma omp barrier;= to gather all the correct values of $\Delta z$, thus allowing the computation the maximum stop condition on vector $\Delta z$ (line 12, Algorithm \ref{alg2-cuda-openmp}). Finally, threads copy the results from GPU memories to CPU memory. The OpenMP threads execute kernels until the roots sufficiently converge.  
728 \begin{enumerate}
729 \begin{algorithm}[htpb]
730 \label{alg2-cuda-openmp}
731 %\LinesNumbered
732 \caption{CUDA-OpenMP Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
733
734 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (Error tolerance
735   threshold), P (Polynomial to solve), Pu (Derivative of P), $n$ (Polynomial degree), $\Delta z$ ( Vector of errors for stop condition), $num_gpus$ (number of OpenMP threads/ Number of GPUs), $Size$ (number of roots)}
736
737 \KwOut {$Z$ ( Root's vector), $ZPrec$ (Previous root's vector)}
738
739 \BlankLine
740
741 \item Initialization of P\;
742 \item Initialization of Pu\;
743 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
744 \verb=omp_set_num_threads(num_gpus);=
745 \verb=#pragma omp parallel shared(Z,$\Delta$ z,P);=
746 \verb=cudaGetDevice(gpu_id);=
747 \item Allocate and copy initial data from CPU memory to the GPU global memories\;
748 \item index= $Size/num\_gpus$\;
749 \item k=0\;
750 \While {$error > \epsilon$}{
751 \item Let $\Delta z=0$\;
752 \item $ kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
753 \item  k=k+1\;
754 \item $ kernel\_update(Z,P,Pu,index)$\;
755 \item $kernel\_testConverge(\Delta z[gpu\_id],Z,ZPrec)$\;
756 %\verb=#pragma omp barrier;=
757 \item error= Max($\Delta z$)\;
758 }
759
760 \item Copy results from GPU memories to CPU memory\;
761 \end{algorithm}
762 \end{enumerate}
763 ~\\ 
764
765
766
767 \subsection{Multi-GPU : an MPI-CUDA approach}
768 %\begin{figure}[htbp]
769 %\centering
770  % \includegraphics[angle=-90,width=0.2\textwidth]{MPI-CUDA}
771 %\caption{The MPI-CUDA architecture }
772 %\label{fig:03}
773 %\end{figure}
774 Our parallel implementation of EA to find root of polynomials using a CUDA-MPI approach is a data parallel approach. It splits input data of the polynomial to solve among MPI processes. In Algorithm \ref{alg2-cuda-mpi}, input data are the polynomial to solve $P$, the solution vector $Z$, the previous solution vector $ZPrev$, and the value of errors of stop condition $\Delta z$. Let $p$ denote the number of MPI processes on and $n$ the degree of the polynomial to be solved. The algorithm performs a simple data partitioning by creating $p$ portions, of at most $\lceil n/p \rceil$ roots to find per MPI process, for each $Z$ and $ZPrec$. Consequently, each MPI process of rank $k$ will have its own solution vector $Z_{k}$ and $ZPrec$, the error related to the stop condition $\Delta z_{k}$, enabling each MPI process to compute $\lceil n/p \rceil$ roots.
775
776 Since a GPU works only on data already allocated in its memory, all local input data, $Z_{k}$, $ZPrec$ and $\Delta z_{k}$, must be transferred from CPU memories to the corresponding GPU memories. Afterwards, the same EA algorithm (Algorithm \ref{alg1-cuda}) is run by all processes but on different polynomial subset of roots $ p(x)_{k}=\sum_{i=1}^{n} a_{i}x^{i}, k=1,...,p$.  Each MPI process executes the  loop \verb=(While(...)...do)= containing the CUDA kernels but each MPI process  computes only its own portion of the roots according to the rule ``''owner computes``''. The local range of roots is indicated with the \textit{index} variable initialized at (line 5, Algorithm \ref{alg2-cuda-mpi}), and passed as an input variable to $kernel\_update$ (line 10, Algorithm \ref{alg2-cuda-mpi}). After each iteration, MPI processes synchronize  (\verb=MPI_Allreduce= function) by a reduction on $\Delta z_{k}$ in order to compute the maximum error related to the stop condition.   Finally, processes copy the values of new computed roots  from GPU memories to CPU memories, then communicate their results to other processes with \verb=MPI_Alltoall= broadcast. If the stop condition is not verified ($error > \epsilon$) then processes stay withing the loop \verb= while(...)...do= until all the roots sufficiently converge.
777
778 \begin{enumerate}
779 \begin{algorithm}[htpb]
780 \label{alg2-cuda-mpi}
781 %\LinesNumbered
782 \caption{CUDA-MPI Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
783
784 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (Error tolerance
785   threshold), P (Polynomial to solve), Pu (Derivative of P), $n$ (Polynomial degrees), $\Delta z$ ( error of stop condition), $num_gpus$ (number of MPI processes/ number of GPUs), Size (number of roots)}
786
787 \KwOut {$Z$ (Solution root's vector), $ZPrec$ (Previous solution root's vector)}
788
789 \BlankLine
790 \item Initialization of P\;
791 \item Initialization of Pu\;
792 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
793 \item Allocate and copy initial data from CPU memories to GPU global memories\;
794 \item $index= Size/num_gpus$\;
795 \item k=0\;
796 \While {$error > \epsilon$}{
797 \item Let $\Delta z=0$\;
798 \item $kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
799 \item  k=k+1\;
800 \item $kernel\_update(Z,P,Pu,index)$\;
801 \item $kernel\_testConverge(\Delta z,Z,ZPrec)$\;
802 \item ComputeMaxError($\Delta z$,error)\;
803 \item Copy results from GPU memories to CPU memories\;
804 \item Send $Z[id]$ to all processes\;
805 \item Receive $Z[j]$ from every other process j\;
806 }
807 \end{algorithm}
808 \end{enumerate}
809 ~\\ 
810
811 \section{Experiments}
812 \label{sec5}
813 We study two categories of polynomials: sparse polynomials and full polynomials.\\
814 {\it A sparse polynomial} is a polynomial for which only some coefficients are not null. In this paper, we consider sparse polynomials for which the roots are distributed on 2 distinct circles:
815 \begin{equation}
816         \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})
817 \end{equation}\noindent
818 {\it A full polynomial} is, in contrast, a polynomial for which all the coefficients are not null. A full polynomial is defined by:
819 %%\begin{equation}
820         %%\forall \alpha_{i} \in C,\forall n_{i}\in N^{*}; P(z)= \sum^{n}_{i=1}(z^{n^{i}}.a_{i})
821 %%\end{equation}
822
823 \begin{equation}
824      {\Large \forall a_{i} \in C, i\in N;  p(x)=\sum^{n}_{i=0} a_{i}.x^{i}} 
825 \end{equation}
826 For our tests, a CPU Intel(R) Xeon(R) CPU E5620@2.40GHz and a GPU K40 (with 6 Go of ram) are used. 
827 %SIDER : Une meilleure présentation de l'architecture est à faire ici.
828
829 In order to evaluate both the M-GPU and Multi-GPU approaches, we performed a set of experiments on a single GPU and multiple GPUs using OpenMP or MPI by EA algorithm, for both sparse and full polynomials of different sizes.
830 All experimental results obtained are made in double precision data whereas the convergence threshold of the EA method is set to $10^{-7}$.
831 %Since we were more interested in the comparison of the
832 %performance behaviors of Ehrlich-Aberth and Durand-Kerner methods on
833 %CPUs versus on GPUs.
834 The initialization values of the vector solution
835 of the methods are given in %Section~\ref{sec:vec_initialization}.
836
837 \subsection{Evaluating the M-GPU (CUDA-OpenMP) approach}
838
839 We report here  the results of the set of experiments with the M-GPU approach for full and sparse polynomials of different degrees, and we compare it with a Single GPU execution.
840 \subsubsection{Execution time of the EA method for solving sparse polynomials on multiple GPUs using the M-GPU approach}
841  
842 In this experiments we report the execution time of the EA algorithm, on single GPU and Multi-GPU with (2,3,4) GPUs, for different sparse polynomial degrees ranging from 100,000 to 1,400,000.
843
844 \begin{figure}[htbp]
845 \centering
846   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_omp}
847 \caption{Execution time in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse polynomials on multiple GPUs using the M-GPU approach}
848 \label{fig:01}
849 \end{figure}
850
851 This figure~\ref{fig:01} shows that the (CUDA-OpenMP) M-GPU approach reduces the execution time by a factor up to 100 w.r.t the single GPU approach and a by a factor of 1000 for polynomials  exceeding degree 1,000,000. It shows the advantage to use the OpenMP parallel paradigm to gather the capabilities of several GPUs and solve polynomials of very high degrees.   
852
853 \subsubsection{Execution time in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials on multiple GPUs using the M-GPU approach}
854
855 The experiments shows the execution time of the EA algorithm, on a single GPU and on multiple GPUs using the CUDA OpenMP approach for full polynomials of degrees ranging from 100,000 to 1,400,000.
856
857 \begin{figure}[htbp]
858 \centering
859   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_omp}
860 \caption{Execution time in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials on multiple GPUs using the M-GPU appraoch}
861 \label{fig:03}
862 \end{figure}
863
864 Results with full polynomials show very important savings in execution time. For a polynomial of degree 1,4 million, the CUDA-OpenMP approach with 4 GPUs solves it 4 times as fast as single GPU, thus achieving a quasi-linear speedup.
865
866 \subsection{Evaluating the Multi-GPU (CUDA-MPI) approach}
867 In this part we perform a set of experiments to compare the Multi-GPU (CUDA MPI) approach with a single GPU, for solving full and sparse polynomials of degrees ranging from 100,000 to 1,400,000.
868
869 \subsubsection{Execution time of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse polynomials on multiple GPUs using the Multi-GPU approach}
870
871 \begin{figure}[htbp]
872 \centering
873   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_mpi}
874 \caption{Execution time in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse polynomials on multiple GPUs using the Multi-GPU approach}
875 \label{fig:02}
876 \end{figure}
877 ~\\
878 Figure~\ref{fig:02} shows execution time of EA algorithm, for a single GPU, and multiple GPUs (2, 3, 4) on respectively 2, 3 and four MPI nodes. We can clearly see that the curve for a single GPU is above the other curves, which shows overtime in execution time compared to the Multi-GPU approach. We can see also that the CUDA-MPI approach reduces the execution time by a factor of 10 for polynomials of degree more than 1,000,000. For example, at degree 1000000, the execution time with a single GPU amounted to 10 thousand seconds, while with 4 GPUs, it is lowered to about just one thousand seconds which makes it for a tenfold speedup.
879 %%SIDER : Je n'ai pas reformuler car je n'ai pas compris la phrase, merci de l'ecrire ici en fran\cais.
880 \\cette figure montre 4 courbes de temps d'exécution pour l'algorithme EA, une courbe avec un seul GPU, 3 courbes pour multiple GPUs(2, 3, 4), on peut constaté clairement que la courbe à un seul GPU est au-dessus des autres courbes, vue sa consomation en temps d'exècution. On peut voir aussi qu'avec l'approche Multi-GPU (CUDA-MPI) reduit le temps d'exècution jusqu'à l'echelle 100 pour le polynômes qui dépasse 1,000,000 tandis que Single GPU est de l'echelle 1000.
881
882 \subsubsection{Execution time of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials on multiple GPUs using the Multi-GPU appraoch}
883
884 \begin{figure}[htbp]
885 \centering
886  \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_mpi}
887 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for full polynomials on GPUs using the Multi-GPU}
888 \label{fig:04}
889 \end{figure}
890
891
892         Figure \ref{fig:04} shows execution time for a single GPU, and multiple GPUs (2, 3, 4) on respectively 2, 3 and four MPI nodes. With the CUDA-MPI approach, we notice that the three curves are distinct from each other, more we use GPUs more the execution time decreases. On the other hand the curve for a single GPU is well above the other curves.
893
894 This is due to the use of MPI parallel paradigm that divides the problem computations and assigns portions to each GPU. But unlike the single GPU which carries all the computations on a single GPU, data communications are introduced, consequently engendering more execution time. But experiments show that execution time is still highly reduced.
895
896
897
898 \subsection{Comparing  the CUDA-OpenMP approach and the CUDA-MPI approach}
899
900 In the previuos section we saw that both approches are very effective in reducing execution time for sparse as well as full polynomials. At this stage, the interesting question is which approach is better. In the fellowing, we present appropriate experiments comparing the two Multi-GPU approaches to answer the question.
901
902 \subsubsection{Solving sparse polynomials}
903 In this experiment three sparse polynomials of size 200K, 800K and 1,4M are investigated.
904 \begin{figure}[htbp]
905 \centering
906  \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse}
907 \caption{Execution time  for solving sparse polynomials of three distinct sizes on multiple GPUs using MPI and OpenMP approaches using Ehrlich-Aberth}
908 \label{fig:05}
909 \end{figure}
910 In Figure~\ref{fig:05} there two curves for each polynomial size : one for the MPI-CUDA and another for the OpenMP. We can see that the results are similar between OpenMP and MPI for the polynomials size of 200K. For the size of 800K, the MPI version is a little slower than the OpenMP approach but for for the 1,4M size, there is a slight advantage for the MPI version.
911
912 \subsubsection{Solving full polynomials}
913 \begin{figure}[htbp]
914 \centering
915  \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full}
916 \caption{Execution time for solving full polynomials of three distinct sizes on multiple GPUs using MPI and OpenMP approaches using Ehrlich-Aberth}
917 \label{fig:06}
918 \end{figure}
919 In Figure~\ref{fig:06}, we can see that when it comes to full polynomials, both approaches are almost equivalent.
920
921 \subsubsection{Solving sparse and full polynomials of the same size with CUDA-MPI}
922 In this experiment we compare the execution time of the EA algorithm according to the number of GPUs for solving sparse and full polynomials on Multi-GPU using MPI. We chose three sparse and full polynomials of size 200K, 800K  and 1,4M. 
923 \begin{figure}[htbp]
924 \centering
925  \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{MPI}
926 \caption{Execution time for solving sparse and full polynomials of three distinct sizes on multiple GPUs using MPI}
927 \label{fig:07}
928 \end{figure}
929 in figure ~\ref{fig:07} we can see that CUDA-MPI can solve sparse and full polynomials of high degrees, the execution time with sparse polynomial are very low comparing to full polynomials. with sparse polynomials the number of monomial are reduce, consequently the number of operation are reduce than the execution time decrease. 
930
931 \subsubsection{Solving sparse and full polynomials of the same size with CUDA-OpenMP}
932
933 \begin{figure}[htbp]
934 \centering
935  \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{OMP}
936 \caption{Execution time for solving sparse and full polynomials of three distinct sizes on multiple GPUs using OpenMP}
937 \label{fig:08}
938 \end{figure}
939
940 Figure ~\ref{fig:08} shows the impact of sparsity on the effectiveness of the CUDA-OpenMP approach. We can see that the impact fellows the same pattern, a difference in execution time in favor of the sparse polynomials. 
941 %SIDER : il faut une explication ici. je ne vois pas de prime abords, qu'est-ce qui engendre cette différence, car quelques soient les coefficients nulls ou non nulls, c'est toutes les racines qui sont calculées qu'elles soient similaires ou non (degrés de multiplicité).
942 \subsection{Scalability of the EA method on Multi-GPU to solve very high degree polynomials}
943 These experiments report the execution time according to the degrees of polynomials ranging from 1,000,000 to 5,000,000 for both approaches with sparse and full  polynomials. 
944 \begin{figure}[htbp]
945 \centering
946  \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{big}
947  \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials of high degree on 4 GPUs for sizes ranging from 1M to 5M}
948 \label{fig:09}
949 \end{figure}
950 In figure ~\ref{fig:09} we can see that both approaches are scalable and can solve very high degree polynomials. With full polynomial both approaches give interestingly very similar results. For the sparse case however, there are a noticeable difference in favour of MPI when the degree is above 4M. Between 1M and 3M, the OMP approach is more effective and under 1M degree, OMP and MPI approaches are almost equivalent.
951
952 %SIDER : il faut une explication sur les différences ici aussi.
953  
954 %for sparse and full polynomials
955 % An example of a floating figure using the graphicx package.
956 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
957 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
958 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
959 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
960 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
961 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
962 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
963 %
964 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
965 % option should be used if it is desired that the figures are to be
966 % displayed while in draft mode.
967 %
968 %\begin{figure}[!t]
969 %\centering
970 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
971 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
972 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
973 % via \DeclareGraphicsExtensions.
974 %\caption{Simulation results for the network.}
975 %\label{fig_sim}
976 %\end{figure}
977
978 % Note that the IEEE typically puts floats only at the top, even when this
979 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
980
981
982 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
983 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
984 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command,
985 % and the \label for the overall figure must come after \caption.
986 % \hfil is used as a separator to get equal spacing.
987 % Watch out that the combined width of all the subfigures on a 
988 % line do not exceed the text width or a line break will occur.
989 %
990 %\begin{figure*}[!t]
991 %\centering
992 %\subfloat[Case I]{\includegraphics[width=2.5in]{box}%
993 %\label{fig_first_case}}
994 %\hfil
995 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{box}%
996 %\label{fig_second_case}}
997 %\caption{Simulation results for the network.}
998 %\label{fig_sim}
999 %\end{figure*}
1000 %
1001 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
1002 % captions (using the optional argument to \subfloat[]), but instead will
1003 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
1004 % Be aware that for subfig.sty to generate the (a), (b), etc., subfigure
1005 % labels, the optional argument to \subfloat must be present. If a
1006 % subcaption is not desired, just leave its contents blank,
1007 % e.g., \subfloat[].
1008
1009
1010 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the
1011 % \caption command should come BEFORE the table and, given that table
1012 % captions serve much like titles, are usually capitalized except for words
1013 % such as a, an, and, as, at, but, by, for, in, nor, of, on, or, the, to
1014 % and up, which are usually not capitalized unless they are the first or
1015 % last word of the caption. Table text will default to \footnotesize as
1016 % the IEEE normally uses this smaller font for tables.
1017 % The \label must come after \caption as always.
1018 %
1019 %\begin{table}[!t]
1020 %% increase table row spacing, adjust to taste
1021 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
1022 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
1023 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
1024 %\caption{An Example of a Table}
1025 %\label{table_example}
1026 %\centering
1027 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
1028 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
1029 %\begin{tabular}{|c||c|}
1030 %\hline
1031 %One & Two\\
1032 %\hline
1033 %Three & Four\\
1034 %\hline
1035 %\end{tabular}
1036 %\end{table}
1037
1038
1039 % Note that the IEEE does not put floats in the very first column
1040 % - or typically anywhere on the first page for that matter. Also,
1041 % in-text middle ("here") positioning is typically not used, but it
1042 % is allowed and encouraged for Computer Society conferences (but
1043 % not Computer Society journals). Most IEEE journals/conferences use
1044 % top floats exclusively. 
1045 % Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
1046 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the
1047 % \fnbelowfloat command of the stfloats package.
1048
1049
1050
1051
1052 \section{Conclusion}
1053 \label{sec6}
1054 In this paper, we have presented a parallel implementation of Ehrlich-Aberth algorithm for solving full and sparse polynomials, on single GPU with CUDA and on multiple GPUs using two parallel paradigms : shared memory with OpenMP and distributed memory with MPI. These architectures were addressed by a CUDA-OpenMP approach and CUDA-MPI approach, respectively. 
1055 The experiments show that, using parallel programming model like (OpenMP, MPI), we can efficiently manage multiple graphics cards to work together to solve the same problem and accelerate the parallel execution with 4 GPUs and solve a polynomial of degree 1,000,000, four times faster than on single GPU, that is a quasi-linear speedup.
1056
1057
1058 %In future, we will evaluate our parallel implementation of Ehrlich-Aberth algorithm on other parallel programming model 
1059
1060 Our next objective is to extend the model presented here at clusters of nodes featuring  multiple GPUs, with a three-level scheme: inter-node communication via MPI processes (distributed memory), management of multi-GPU node by OpenMP threads (shared memory).
1061
1062 %present a communication approach between multiple GPUs. The comparison between MPI and OpenMP as GPUs controllers shows that these
1063 %solutions can effectively manage multiple graphics cards to work together
1064 %to solve the same problem
1065
1066
1067  %than we have presented two communication approach between multiple GPUs.(CUDA-OpenMP) approach and (CUDA-MPI) approach, in the objective to manage multiple graphics cards to work together and solve the same problem. in the objective to manage multiple graphics cards to work together and solve the same problem. 
1068
1069
1070
1071
1072 % conference papers do not normally have an appendix
1073
1074
1075 % use section* for acknowledgment
1076 \section*{Acknowledgment}
1077
1078
1079 The authors would like to thank...
1080
1081
1082
1083
1084
1085 % trigger a \newpage just before the given reference
1086 % number - used to balance the columns on the last page
1087 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1088 % the document is modified later
1089 %\IEEEtriggeratref{8}
1090 % The "triggered" command can be changed if desired:
1091 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1092
1093 % references section
1094
1095 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1096 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1097 % http://mirror.ctan.org/biblio/bibtex/contrib/doc/
1098 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1099 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1100 %\bibliographystyle{IEEEtran}
1101 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
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1103 %\bibliographystyle{./IEEEtran}
1104 \bibliography{mybibfile}
1105
1106 %
1107 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1108 % set second argument of \begin to the number of references
1109 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1110 %\begin{thebibliography}{1}
1111
1112 %\bibitem{IEEEhowto:kopka}
1113 %H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1114  % 0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1115   
1116 %\bibitem{IEEEhowto:NVIDIA12} 
1117  %NVIDIA Corporation, \textit{Whitepaper NVIDA’s Next Generation CUDATM Compute
1118 %Architecture: KeplerTM }, 1st ed., 2012.
1119
1120 %\end{thebibliography}
1121
1122
1123
1124
1125 % that's all folks
1126 \end{document}
1127
1128