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Private GIT Repository
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[kahina_paper2.git] / paper.tex
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
324 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
325 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
326   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
327
328
329
330
331
332 \begin{document}
333 %
334 % paper title
335 % Titles are generally capitalized except for words such as a, an, and, as,
336 % at, but, by, for, in, nor, of, on, or, the, to and up, which are usually
337 % not capitalized unless they are the first or last word of the title.
338 % Linebreaks \\ can be used within to get better formatting as desired.
339 % Do not put math or special symbols in the title.
340 \title{Two parallel implementations of Ehrlich-Aberth algorithm for root finding of polynomials
341 on  multiple GPUs with OpenMP and MPI}
342
343
344 % author names and affiliations
345 % use a multiple column layout for up to three different
346 % affiliations
347 \author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell}
348 \IEEEauthorblockA{School of Electrical and\\Computer Engineering\\
349 Georgia Institute of Technology\\
350 Atlanta, Georgia 30332--0250\\
351 Email: http://www.michaelshell.org/contact.html}
352 \and
353 \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
354 \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
355 Springfield, USA\\
356 Email: homer@thesimpsons.com}
357 \and
358 \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
359 \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
360 San Francisco, California 96678--2391\\
361 Telephone: (800) 555--1212\\
362 Fax: (888) 555--1212}}
363
364 % conference papers do not typically use \thanks and this command
365 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
366 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
367 % after \documentclass
368
369 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
370 % of the page, use this alternative format:
371
372 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
373 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
374 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
375 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
376 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
377 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
378 %Georgia Institute of Technology,
379 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
380 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
381 %Email: homer@thesimpsons.com}
382 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
383 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
384 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
385
386
387
388
389 % use for special paper notices
390 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
391
392
393
394
395 % make the title area
396 \maketitle
397
398 % As a general rule, do not put math, special symbols or citations
399 % in the abstract
400 \begin{abstract}
401 Finding roots of polynomials is a well-known important but not so very easy problem to solve especially for high degrees. \LZK{il manque quelque chose dans cette phrase. Proposition: Finding roots of polynomials is a very important part of solving real-life problems but it is not an easy task for polynomials of high degrees.}
402 In this paper, we present two different parallel approaches to achieve this gaol for sparse and fully defined polynomials of up to 1.4 billion degree. Our two approaches are based on the well known parallel paradigms of OpenMP and MPI but combined with the novel CUDA GPU technology. Our results show a quasi-linear speedup using up to 4 GPU devices to solve four times faster a polynomial root finding problem. To our knowledge, this is the first paper to present this technology mix to solve such a highly demanding problem in parallel programming.
403
404 \end{abstract}
405
406 % no keywords
407
408
409
410
411 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
412 % page as needed:
413 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
414 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
415 % \fi
416 %
417 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
418 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
419 \IEEEpeerreviewmaketitle
420
421
422
423 \section{Introduction}
424 Polynomials are mathematical algebraic structures that play an important role in science and engineering by capturing physical phenomena and by expressing any outcome as a function of some unknown variables. Formally speaking,  a polynomial $p(x)$ of degree \textit{n} having $n$ coefficients in the complex plane \textit{C} is :
425 %%\begin{center}
426 \begin{equation}
427      {\Large p(x)=\sum_{i=0}^{n-1}{a_{i}x^{i}}}.
428 \end{equation}
429 %%\end{center}
430
431 The root finding problem consists in finding the values of all the $n$ different values of the variable $x$ for which \textit{p(x)} is null. Such values are called zeros of $p$. If zeros are $\alpha_{i},\textit{i=1,...,n}$ then $p(x)$ can be written as :
432 \begin{equation}
433      {\Large p(x)=a_{n}\prod_{i=1}^{n}(x-\alpha_{i}), a_{0} a_{n}\neq 0}.
434 \end{equation}
435
436 The problem of finding the roots of polynomials can be encountered in numerous applications. Most of the numerical methods that deal with this problem are simultaneous ones, i.e that find concurrently all of $n$ zeroes. These methods start from the initial approximations of all the roots of the polynomial and give a sequence of approximations that converge to the roots of the polynomial. The first method of this group is Durand-Kerner method:
437 \begin{equation}
438 \label{DK}
439  DK: z_i^{k+1}=z_{i}^{k}-\frac{P(z_i^{k})}{\prod_{i\neq j}(z_i^{k}-z_j^{k})},   i = 1, . . . , n,
440 \end{equation}
441 %%\end{center}
442 where $z_i^k$ is the $i^{th}$ root of the polynomial $p$ at the
443 iteration $k$.
444 Another method discovered by
445 Borsch-Supan~\cite{ Borch-Supan63} and also described and brought
446 in the following form by Ehrlich~\cite{Ehrlich67} and
447 Aberth~\cite{Aberth73} uses a different iteration formula given as:
448 %%\begin{center}
449 \begin{equation}
450 \label{Eq:EA}
451  EA: z_i^{k+1}=z_i^{k}-\frac{1}{{\frac {P'(z_i^{k})} {P(z_i^{k})}}-{\sum_{i\neq j}\frac{1}{(z_i^{k}-z_j^{k})}}}, i = 1, . . . , n,
452 \end{equation}
453 %%\end{center}
454 where $p'(z)$ is the polynomial derivative of $p$ evaluated in the
455 point $z$.
456
457 %Aberth, Ehrlich and Farmer-Loizou~\cite{Loizou83} have proved that
458 %the Ehrlich-Aberth method (EA) has a cubic order of convergence for simple roots whereas the Durand-Kerner has a quadratic order of %convergence.
459
460 The main problem of the simultaneous methods is that the necessary time needed for the convergence is increased with the increasing of the degree of the polynomial. Many authors have treated the problem of implementing  simultaneous methods in parallel. Freeman~\cite{Freeman89} implemented and compared DK, EA and another method of the fourth order proposed by Farmer
461 and Loizou~\cite{Loizou83}, on a 8-processor linear chain, for polynomials of degree up to 8.
462 The third method often diverges, but the first two methods have speed-up equal 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 $z^{k}_{i}$ have not been received from the other processors, in contrast with synchronous algorithms where it would wait those values before
463 making a new iteration. Couturier and al.~\cite{Raphaelall01} proposed two methods of parallelization for a shared memory architecture with \textit{OpenMP} and for distributed memory one with \textit{MPI}. They were able to compute the roots of sparse polynomials of degree 10,000 in 116 seconds with \textit{OpenMP} and 135 seconds with \textit{MPI} only by using 8 personal computers and 2 communications per iteration. Comparing to the sequential implementation where it takes up to 3,300 seconds to obtain the same results, the authors show an interesting speedup.
464
465 Very few work had been performed since then until the appearing of the Compute Unified Device Architecture (CUDA)~\cite{CUDA10}, a parallel computing platform and a programming model invented by NVIDIA. The computing power of GPUs (Graphics Processing Unit) has exceeded that of CPUs. However, CUDA adopts a totally new computing architecture to use the hardware resources provided by GPU in order to offer a stronger computing ability to the massive data computing. Ghidouche and al~\cite{Kahinall14} proposed an implementation of the Durand-Kerner method on GPU. Their main result 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.
466
467 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 parallel programming paradigms (OpenMP, MPI) on GPUs. We consider two architectures: shared memory with OpenMP API and distributed memory MPI API. The first approach is based on threads from the same system process, with each thread attached to one GPU and after the various memory allocations, each thread launches its part of computations. To do this we must first load on the GPU required data and after the computations are carried, repatriate the result on the host. The second approach i.e distributed memory with MPI relies on the MPI library which is often used for parallel programming~\cite{Peter96} in
468 cluster systems because it is a message-passing programming language. Each GPU is attached to one MPI process, and a loop is in charge of the distribution of tasks between the MPI processes. This solution can be used on one GPU, or executed on a distributed cluster of GPUs, employing the Message Passing Interface (MPI) to communicate between separate CUDA cards. This solution permits scaling of the problem size to larger classes than would be possible on a single device and demonstrates the performance which users might expect from future
469 HPC architectures where accelerators are deployed. 
470  
471 This paper is organized as follows, in section 2 we recall the Ehrlich-Aberth method. In section 3 we present EA algorithm on single GPU. In section 4 we propose the EA algorithm implementation on Multi-GPU for (OpenMP-CUDA) approach and (MPI-CUDA) approach. In section 5 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.
472  
473  
474 \section{Parallel Programmings Model}
475  
476 \subsection{OpenMP}
477 Open Multi-Processing (OpenMP) is a shared memory architecture API that provides multi thread capacity~\cite{openmp13}. OpenMP is
478 a portable approach for parallel programming on shared memory systems based on compiler directives, that can be included in order
479 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.
480
481 %\subsection{OpenMP} 
482 %OpenMP is a shared memory programming API based on threads from
483 %the same system process. Designed for multiprocessor shared memory UMA or
484 %NUMA [10], it relies on the execution model SPMD ( Single Program, Multiple Data Stream )
485 %where the thread "master" and threads "slaves" asynchronously execute their codes
486 %communicate / synchronize via shared memory [7]. It also helps to build
487 %the loop parallelism and is very suitable for an incremental code parallelization
488 %Sequential natively. Threads share some or all of the available memory and can
489 %have private memory areas [6].
490
491 \subsection{MPI} 
492 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.
493  
494 \subsection{CUDA}
495 CUDA (an acronym for Compute Unified Device Architecture) is a parallel computing architecture developed by NVIDIA~\cite{CUDA10}. The
496 unit of execution in CUDA is called a thread. Each thread executes a kernel by the streaming processors in parallel. In CUDA,
497 a group of threads that are executed together is called a thread block, and the computational grid consists of a grid of thread
498 blocks. Additionally, a thread block can use the shared memory on a single multiprocessor while the grid executes a single
499 CUDA program logically in parallel. Thus in CUDA programming, it is necessary to design carefully the arrangement of the thread
500 blocks in order to ensure low latency and a proper usage of shared memory, since it can be shared only in a thread block
501 scope. The effective bandwidth of each memory space depends on the memory access pattern. Since the global memory has lower
502 bandwidth than the shared memory, the global memory accesses should be minimized.
503
504
505 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.
506
507 \section{The EA algorithm on a single GPU}
508 \subsection{The EA method}
509
510 A cubically convergent iteration method to find zeros of
511 polynomials was proposed by O. Aberth~\cite{Aberth73}. The
512 Ehrlich-Aberth (EA is short) method contains 4 main steps, presented in what
513 follows.
514
515 %The Aberth method is a purely algebraic derivation. 
516 %To illustrate the derivation, we let $w_{i}(z)$ be the product of linear factors 
517
518 %\begin{equation}
519 %w_{i}(z)=\prod_{j=1,j \neq i}^{n} (z-x_{j})
520 %\end{equation}
521
522 %And let a rational function $R_{i}(z)$ be the correction term of the
523 %Weistrass method~\cite{Weierstrass03}
524
525 %\begin{equation}
526 %R_{i}(z)=\frac{p(z)}{w_{i}(z)} , i=1,2,...,n.
527 %\end{equation}
528
529 %Differentiating the rational function $R_{i}(z)$ and applying the
530 %Newton method, we have:
531
532 %\begin{equation}
533 %\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
534 %\end{equation}
535 %where R_{i}^{'}(z)is the rational function derivative of F evaluated in the point z 
536 %Substituting $x_{j}$ for $z_{j}$ we obtain the Aberth iteration method.% 
537
538
539 \subsubsection{Polynomials Initialization}
540 The initialization of a polynomial $p(z)$ is done by setting each of the $n$ complex coefficients $a_{i}$:
541
542 \begin{equation}
543 \label{eq:SimplePolynome}
544   p(z)=\sum{a_{i}z^{n-i}} , a_{n} \neq 0,a_{0}=1, a_{i}\subset C
545 \end{equation}
546
547
548 \subsubsection{Vector $Z^{(0)}$ Initialization}
549 \label{sec:vec_initialization}
550 As for any iterative method, we need to choose $n$ initial guess points $z^{0}_{i}, i = 1, . . . , n.$
551 The initial guess is very important since the number of steps needed by the iterative method to reach
552 a given approximation strongly depends on it.
553 In~\cite{Aberth73} the Ehrlich-Aberth iteration is started by selecting $n$
554 equi-distant points on a circle of center 0 and radius r, where r is
555 an upper bound to the moduli of the zeros. Later, Bini and al.~\cite{Bini96}
556 performed this choice by selecting complex numbers along different
557 circles which relies on the result of~\cite{Ostrowski41}.
558
559 \begin{equation}
560 \label{eq:radiusR}
561 %%\begin{align}
562 \sigma_{0}=\frac{u+v}{2};u=\frac{\sum_{i=1}^{n}u_{i}}{n.max_{i=1}^{n}u_{i}};
563 v=\frac{\sum_{i=0}^{n-1}v_{i}}{n.min_{i=0}^{n-1}v_{i}};\\
564 %%\end{align}
565 \end{equation}
566 Where:
567 \begin{equation}
568 u_{i}=2.|a_{i}|^{\frac{1}{i}};
569 v_{i}=\frac{|\frac{a_{n}}{a_{i}}|^{\frac{1}{n-i}}}{2}.
570 \end{equation}
571
572 \subsubsection{Iterative Function}
573 The operator used by the Aberth method  corresponds to the
574 equation~\ref{Eq:EA1}, it enables the convergence towards
575 the polynomials zeros, provided all the roots are distinct.
576
577 %Here we give a second form of the iterative function used by the Ehrlich-Aberth method: 
578
579 \begin{equation}
580 \label{Eq:EA1}
581 EA: z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
582 {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
583 \end{equation}
584
585 \subsubsection{Convergence Condition}
586 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:
587
588 \begin{equation}
589 \label{eq:Aberth-Conv-Cond}
590 \forall i \in [1,n];\vert\frac{z_{i}^{k}-z_{i}^{k-1}}{z_{i}^{k}}\vert<\xi
591 \end{equation}
592
593
594 %\begin{figure}[htbp]
595 %\centering
596  % \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{EA-Algorithm}
597 %\caption{The Ehrlich-Aberth algorithm on single GPU}
598 %\label{fig:03}
599 %\end{figure}
600
601 %the Ehrlich-Aberth method is an iterative  method, contain 4 steps, start from the initial approximations of all the
602 %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[...,...], wich will make it possible to converge to the roots solution, provided that all the root are different. 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
603 %are lower than a fixed value $ε$ 
604
605
606 \subsection{EA parallel implementation on CUDA}
607 Like any parallel code, a GPU parallel implementation first
608 requires to determine the sequential tasks and the
609 parallelizable parts of the sequential version of the
610 program/algorithm. In our case, all the operations that are easy
611 to execute in parallel must be made by the GPU to accelerate
612 the execution of the application, like the step 3 and step 4. On the other hand, all the
613 sequential operations and the operations that have data
614 dependencies between threads or recursive computations must
615 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. 
616
617 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
618 first named \textit{save} is used to save vector $Z^{K-1}$ and the seconde one is named
619 \textit{update} and is used to update the $Z^{K}$ vector. For step 4, a kernel 
620 tests the convergence of the method. In order to
621 compute the function H, we have two possibilities: either to use
622 the Jacobi mode, or the Gauss-Seidel mode of iterating which uses the
623 most recent computed roots. It is well known that the Gauss-
624 Seidel mode converges more quickly. So, we used the Gauss-Seidel mode of iteration. To
625 parallelize the code, we created kernels and many functions to
626 be executed on the GPU for all the operations dealing with the
627 computation on complex numbers and the evaluation of the
628 polynomials. As said previously, we managed both functions
629 of evaluation of a polynomial: the normal method, based on
630 the method of Horner and the method based on the logarithm
631 of the polynomial. All these methods were rather long to
632 implement, as the development of corresponding kernels with
633 CUDA is longer than on a CPU host. This comes in particular
634 from the fact that it is very difficult to debug CUDA running
635 threads like threads on a CPU host. In the following paragraph
636 Algorithm~\ref{alg1-cuda} shows the GPU parallel implementation of Ehrlich-Aberth method.
637
638 \begin{enumerate}
639 \begin{algorithm}[htpb]
640 \label{alg1-cuda}
641 %\LinesNumbered
642 \caption{CUDA Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
643
644 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (Error tolerance
645   threshold), P (Polynomial to solve), Pu (Derivative of P), $n$ (Polynomial degrees), $\Delta z_{max}$ (Maximum value of stop condition)}
646
647 \KwOut {$Z$ (Solution root's vector), $ZPrec$ (Previous solution root's vector)}
648
649 %\BlankLine
650
651 \item Initialization of the of P\;
652 \item Initialization of the of Pu\;
653 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
654 \item Allocate and copy initial data to the GPU global memory\;
655 \item k=0\;
656 \While {$\Delta z_{max} > \epsilon$}{
657 \item Let $\Delta z_{max}=0$\;
658 \item $ kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
659 \item  k=k+1\;
660 \item $ kernel\_update(Z,P,Pu)$\;
661 \item $kernel\_testConverge(\Delta z_{max},Z,ZPrec)$\;
662
663 }
664 \item Copy results from GPU memory to CPU memory\;
665 \end{algorithm}
666 \end{enumerate}
667 ~\\ 
668
669
670  
671 \section{The EA algorithm on Multi-GPU}
672
673 \subsection{MGPU : an OpenMP-CUDA approach}
674 Our OpenMP-CUDA implementation of EA algorithm is based on the hybrid OpenMP and CUDA programming model. It works as follows.
675 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).
676
677 %\begin{figure}[htbp]
678 %\centering
679  % \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{OpenMP-CUDA}
680 %\caption{The OpenMP-CUDA architecture}
681 %\label{fig:03}
682 %\end{figure}
683 %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:
684
685 $num\_gpus$ 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.  
686 \begin{enumerate}
687 \begin{algorithm}[htpb]
688 \label{alg2-cuda-openmp}
689 %\LinesNumbered
690 \caption{CUDA-OpenMP Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
691
692 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (Error tolerance
693   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)}
694
695 \KwOut {$Z$ ( Root's vector), $ZPrec$ (Previous root's vector)}
696
697 \BlankLine
698
699 \item Initialization of P\;
700 \item Initialization of Pu\;
701 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
702 \verb=omp_set_num_threads(num_gpus);=
703 \verb=#pragma omp parallel shared(Z,$\Delta$ z,P);=
704 \verb=cudaGetDevice(gpu_id);=
705 \item Allocate and copy initial data from CPU memory to the GPU global memories\;
706 \item index= $Size/num\_gpus$\;
707 \item k=0\;
708 \While {$error > \epsilon$}{
709 \item Let $\Delta z=0$\;
710 \item $ kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
711 \item  k=k+1\;
712 \item $ kernel\_update(Z,P,Pu,index)$\;
713 \item $kernel\_testConverge(\Delta z[gpu\_id],Z,ZPrec)$\;
714 %\verb=#pragma omp barrier;=
715 \item error= Max($\Delta z$)\;
716 }
717
718 \item Copy results from GPU memories to CPU memory\;
719 \end{algorithm}
720 \end{enumerate}
721 ~\\ 
722
723
724
725 \subsection{Multi-GPU : an MPI-CUDA approach}
726 %\begin{figure}[htbp]
727 %\centering
728  % \includegraphics[angle=-90,width=0.2\textwidth]{MPI-CUDA}
729 %\caption{The MPI-CUDA architecture }
730 %\label{fig:03}
731 %\end{figure}
732 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 $⌈n/p⌉$ 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 $⌈n/p⌉$ roots.
733
734 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.
735
736 \begin{enumerate}
737 \begin{algorithm}[htpb]
738 \label{alg2-cuda-mpi}
739 %\LinesNumbered
740 \caption{CUDA-MPI Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
741
742 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (Error tolerance
743   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)}
744
745 \KwOut {$Z$ (Solution root's vector), $ZPrec$ (Previous solution root's vector)}
746
747 \BlankLine
748 \item Initialization of P\;
749 \item Initialization of Pu\;
750 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
751 \item Allocate and copy initial data from CPU memories to GPU global memories\;
752 \item $index= Size/num_gpus$\;
753 \item k=0\;
754 \While {$error > \epsilon$}{
755 \item Let $\Delta z=0$\;
756 \item $kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
757 \item  k=k+1\;
758 \item $kernel\_update(Z,P,Pu,index)$\;
759 \item $kernel\_testConverge(\Delta z,Z,ZPrec)$\;
760 \item ComputeMaxError($\Delta z$,error)\;
761 \item Copy results from GPU memories to CPU memories\;
762 \item Send $Z[id]$ to all processes\;
763 \item Receive $Z[j]$ from every other process j\;
764 }
765 \end{algorithm}
766 \end{enumerate}
767 ~\\ 
768
769 \section{Experiments}
770 We study two categories of polynomials: sparse polynomials and full polynomials.\\
771 {\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:
772 \begin{equation}
773         \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})
774 \end{equation}\noindent
775 {\it A full polynomial} is, in contrast, a polynomial for which all the coefficients are not null. A full polynomial is defined by:
776 %%\begin{equation}
777         %%\forall \alpha_{i} \in C,\forall n_{i}\in N^{*}; P(z)= \sum^{n}_{i=1}(z^{n^{i}}.a_{i})
778 %%\end{equation}
779
780 \begin{equation}
781      {\Large \forall a_{i} \in C, i\in N;  p(x)=\sum^{n}_{i=0} a_{i}.x^{i}} 
782 \end{equation}
783 For our tests, a CPU Intel(R) Xeon(R) CPU E5620@2.40GHz and a GPU K40 (with 6 Go of ram) are used. 
784 %SIDER : Une meilleure présentation de l'architecture est à faire ici.
785
786 In order to evaluate both the MGPU 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.
787 All experimental results obtained are made in double precision data, the convergence threshold of the methods is set to $10^{-7}$.
788 %Since we were more interested in the comparison of the
789 %performance behaviors of Ehrlich-Aberth and Durand-Kerner methods on
790 %CPUs versus on GPUs.
791 The initialization values of the vector solution
792 of the methods are given in %Section~\ref{sec:vec_initialization}.
793
794 \subsection{Evaluating the M-GPU (CUDA-OpenMP) approach}
795
796 We report here  the results of the set of experiments with M-GPU approach for full and sparse polynomials of different degrees, and we compare it with a Single GPU execution.
797 \subsubsection{Execution times in seconds of the EA method for solving sparse polynomials on GPUs using shared memory paradigm with OpenMP}
798  
799 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.
800
801 \begin{figure}[htbp]
802 \centering
803   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_omp}
804 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse polynomials on GPUs using shared memory paradigm with OpenMP}
805 \label{fig:01}
806 \end{figure}
807
808 This figure~\ref{fig:01} shows that the (CUDA-OpenMP) Multi-GPU approach reduces the execution time by a factor up to 100 w.r.t the single GPU apparaoch 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.   
809
810 \subsubsection{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials on GPUs using shared memory paradigm with OpenMP}
811
812 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.
813
814 \begin{figure}[htbp]
815 \centering
816   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_omp}
817 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials on multiple GPUs using shared memory paradigm with OpenMP}
818 \label{fig:03}
819 \end{figure}
820
821 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.
822
823 \subsection{Evaluting the Multi-GPU (CUDA-MPI) approach}
824 In this part we perform a set of experiments to compare Multi-GPU (CUDA MPI) approach with single GPU, for solving full and sparse polynomials of degrees ranging from 100,000 to 1,400,000.
825
826 \subsubsection{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse polynomials on GPUs using distributed memory paradigm with MPI}
827
828 \begin{figure}[htbp]
829 \centering
830   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_mpi}
831 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse polynomials on GPUs using distributed memory paradigm with MPI}
832 \label{fig:02}
833 \end{figure}
834 ~\\
835 This figure shows 4 curves of execution time of EA algorithm, a curve with single GPU, 3 curves with multiple GPUs (2, 3, 4). We can clearly see that the curve with single GPU is above the other curves, which shows consumption in execution time compared to the Multi-GPU. We can see also that the CUDA-MPI approach reduces the execution time by a factor of 100 for polynomials of degree more than 1,000,000 whereas a single GPU is of the scale 1000.
836 %%SIDER : Je n'ai pas reformuler car je n'ai pas compris la phrase, merci de l'ecrire ici en fran\cais.
837 \\
838 \subsubsection{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials on GPUs using distributed memory paradigm with MPI}
839
840 \begin{figure}[htbp]
841 \centering
842   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_mpi}
843 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for full polynomials on GPUs using distributed memory paradigm with MPI}
844 \label{fig:04}
845 \end{figure}
846 %SIDER : Corriger le point de la courbe 3-GPUs qui correpsond à un degré de 600000
847
848 Figure \ref{fig:04} shows the execution time of the algorithm on single GPU and on multipe GPUs with (2, 3, 4) GPUs for full polynomials. 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 with a single GPU is well above the other curves.
849
850 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.
851
852
853
854
855 %\begin{figure}[htbp]
856 %\centering
857  % \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse}
858 %\caption{Comparaison between MPI and OpenMP versions of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse plynomials on GPUs}
859 %\label{fig:05}
860 %\end{figure}
861
862 %\begin{figure}[htbp]
863 %\centering
864  % \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full}
865 %\caption{Comparaison between MPI and OpenMP versions of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials on GPUs}
866 %\label{fig:06}
867 %\end{figure}
868
869 %\begin{figure}[htbp]
870 %\centering
871  % \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{MPI}
872 %\caption{Comparaison of execution times of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse and full polynomials on GPUs with distributed memory paradigm using MPI}
873 %\label{fig:07}
874 %\end{figure}
875
876 %\begin{figure}[htbp]
877 %\centering
878  % \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{OMP}
879 %\caption{Comparaison of execution times of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse and full polynomials on GPUs with shared memory paradigm using OpenMP}
880 %\label{fig:08}
881 %\end{figure}
882
883 % An example of a floating figure using the graphicx package.
884 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
885 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
886 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
887 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
888 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
889 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
890 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
891 %
892 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
893 % option should be used if it is desired that the figures are to be
894 % displayed while in draft mode.
895 %
896 %\begin{figure}[!t]
897 %\centering
898 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
899 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
900 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
901 % via \DeclareGraphicsExtensions.
902 %\caption{Simulation results for the network.}
903 %\label{fig_sim}
904 %\end{figure}
905
906 % Note that the IEEE typically puts floats only at the top, even when this
907 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
908
909
910 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
911 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
912 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command,
913 % and the \label for the overall figure must come after \caption.
914 % \hfil is used as a separator to get equal spacing.
915 % Watch out that the combined width of all the subfigures on a 
916 % line do not exceed the text width or a line break will occur.
917 %
918 %\begin{figure*}[!t]
919 %\centering
920 %\subfloat[Case I]{\includegraphics[width=2.5in]{box}%
921 %\label{fig_first_case}}
922 %\hfil
923 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{box}%
924 %\label{fig_second_case}}
925 %\caption{Simulation results for the network.}
926 %\label{fig_sim}
927 %\end{figure*}
928 %
929 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
930 % captions (using the optional argument to \subfloat[]), but instead will
931 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
932 % Be aware that for subfig.sty to generate the (a), (b), etc., subfigure
933 % labels, the optional argument to \subfloat must be present. If a
934 % subcaption is not desired, just leave its contents blank,
935 % e.g., \subfloat[].
936
937
938 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the
939 % \caption command should come BEFORE the table and, given that table
940 % captions serve much like titles, are usually capitalized except for words
941 % such as a, an, and, as, at, but, by, for, in, nor, of, on, or, the, to
942 % and up, which are usually not capitalized unless they are the first or
943 % last word of the caption. Table text will default to \footnotesize as
944 % the IEEE normally uses this smaller font for tables.
945 % The \label must come after \caption as always.
946 %
947 %\begin{table}[!t]
948 %% increase table row spacing, adjust to taste
949 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
950 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
951 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
952 %\caption{An Example of a Table}
953 %\label{table_example}
954 %\centering
955 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
956 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
957 %\begin{tabular}{|c||c|}
958 %\hline
959 %One & Two\\
960 %\hline
961 %Three & Four\\
962 %\hline
963 %\end{tabular}
964 %\end{table}
965
966
967 % Note that the IEEE does not put floats in the very first column
968 % - or typically anywhere on the first page for that matter. Also,
969 % in-text middle ("here") positioning is typically not used, but it
970 % is allowed and encouraged for Computer Society conferences (but
971 % not Computer Society journals). Most IEEE journals/conferences use
972 % top floats exclusively. 
973 % Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
974 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the
975 % \fnbelowfloat command of the stfloats package.
976
977
978
979
980 \section{Conclusion}
981 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. 
982 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.
983
984
985 %In future, we will evaluate our parallel implementation of Ehrlich-Aberth algorithm on other parallel programming model 
986
987 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).
988
989 %present a communication approach between multiple GPUs. The comparison between MPI and OpenMP as GPUs controllers shows that these
990 %solutions can effectively manage multiple graphics cards to work together
991 %to solve the same problem
992
993
994  %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. 
995
996
997
998
999 % conference papers do not normally have an appendix
1000
1001
1002 % use section* for acknowledgment
1003 \section*{Acknowledgment}
1004
1005
1006 The authors would like to thank...
1007
1008
1009
1010
1011
1012 % trigger a \newpage just before the given reference
1013 % number - used to balance the columns on the last page
1014 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1015 % the document is modified later
1016 %\IEEEtriggeratref{8}
1017 % The "triggered" command can be changed if desired:
1018 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
1019
1020 % references section
1021
1022 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
1023 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
1024 % http://mirror.ctan.org/biblio/bibtex/contrib/doc/
1025 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
1026 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
1027 %\bibliographystyle{IEEEtran}
1028 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
1029 %\bibliography{IEEEabrv,../bib/paper}
1030 %\bibliographystyle{./IEEEtran}
1031 \bibliography{mybibfile}
1032
1033 %
1034 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
1035 % set second argument of \begin to the number of references
1036 % (used to reserve space for the reference number labels box)
1037 %\begin{thebibliography}{1}
1038
1039 %\bibitem{IEEEhowto:kopka}
1040 %H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
1041  % 0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
1042   
1043 %\bibitem{IEEEhowto:NVIDIA12} 
1044  %NVIDIA Corporation, \textit{Whitepaper NVIDA’s Next Generation CUDATM Compute
1045 %Architecture: KeplerTM }, 1st ed., 2012.
1046
1047 %\end{thebibliography}
1048
1049
1050
1051
1052 % that's all folks
1053 \end{document}
1054
1055