]> AND Private Git Repository - kahina_paper2.git/blob - paper.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
Merge branch 'master' of ssh://bilbo.iut-bm.univ-fcomte.fr/kahina_paper2
[kahina_paper2.git] / paper.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2 \usepackage[ruled,vlined]{algorithm2e}
3 \hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
4 \bibliographystyle{IEEEtran}
5
6 \usepackage{amsfonts}
7 \usepackage[utf8]{inputenc}
8 \usepackage[T1]{fontenc}
9 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
10 \usepackage{amsmath}
11 \usepackage{amssymb}
12
13 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
14   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
15 \newcommand{\RC}[2][inline]{%
16   \todo[color=blue!10,#1]{\sffamily\textbf{RC:} #2}\xspace}
17 \newcommand{\KG}[2][inline]{%
18   \todo[color=green!10,#1]{\sffamily\textbf{KG:} #2}\xspace}
19 \newcommand{\AS}[2][inline]{%
20   \todo[color=orange!10,#1]{\sffamily\textbf{AS:} #2}\xspace}
21
22
23 \begin{document}
24
25 \title{Two parallel implementations of Ehrlich-Aberth algorithm for root-finding of polynomials on multiple GPUs with OpenMP and MPI}
26
27 \author{\IEEEauthorblockN{Kahina Ghidouche, Abderrahmane Sider }
28   \IEEEauthorblockA{Laboratoire LIMED\\
29     Faculté des sciences exactes\\
30     Université de Bejaia, 06000, Algeria\\
31 Email: \{kahina.ghidouche,ar.sider\}@univ-bejaia.dz}
32 \and
33 \IEEEauthorblockN{Lilia Ziane Khodja, Raphaël Couturier}
34 \IEEEauthorblockA{FEMTO-ST Institute\\
35   University of   Bourgogne Franche-Comte, France\\
36 Email: zianekhodja.lilia@gmail.com\\ raphael.couturier@univ-fcomte.fr}}
37
38
39 \maketitle
40
41 \begin{abstract}
42 Finding roots of polynomials is a very important part of solving
43 real-life problems but it is not so easy for polynomials of high
44 degrees. In this paper, we present two different parallel algorithms
45 of the Ehrlich-Aberth method to find roots of sparse and fully defined
46 polynomials of high degrees. Both algorithms are based on CUDA
47 technology to be implemented on multi-GPU computing platforms but each
48 using different parallel paradigms: OpenMP or MPI. The experiments
49 show a quasi-linear speedup by using up-to 4 GPU devices compared to 1
50 GPU to find roots of polynomials of degree up-to 1.4
51 million. Moreover, other experiments show it is possible to find roots
52 of polynomials of degree up-to 5 millions.
53 \end{abstract}
54
55 \begin{IEEEkeywords}
56   root finding method, Ehrlich-Aberth method, GPU, MPI, OpenMP
57 \end{IEEEkeywords}
58
59 \IEEEpeerreviewmaketitle
60
61
62 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
63 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
64 \section{Introduction}
65
66
67 Finding roots of polynomials of very high degrees arises in many complex problems of 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:
68 \begin{equation}
69 p(x) = \displaystyle\sum^n_{i=0}{\alpha_ix^i},\alpha_n\neq 0, 
70 \end{equation}
71 where $\{\alpha_i\}_{0\leq i\leq n}$ are complex coefficients and $n$ is a high integer number. If $\alpha_n\neq0$ 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 :
72 \begin{equation}
73  p(x)=\alpha_n\displaystyle\prod_{i=1}^n(x-z_i), \alpha_n\neq 0.
74 \end{equation}
75
76 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}.
77
78 The main problem of the simultaneous methods is that the necessary
79 time needed for the convergence increases with the increasing of the
80 polynomial's degree. Many authors have treated the problem of
81 implementing  simultaneous methods in
82 parallel. Freeman~\cite{Freeman89} implemented and compared
83 Durand-Kerner method, Ehrlich-Aberth method and another method of the
84 fourth order of convergence proposed by Farmer and
85 Loizou~\cite{Loizou83} on a 8-processor linear chain, for polynomials
86 of degree up-to 8. The method of Farmer and Loizou~\cite{Loizou83}
87 often diverges, but the first two methods (Durand-Kerner and
88 Ehrlich-Aberth methods) have a speed-up equals to 5.5. Later, Freeman
89 and Bane~\cite{Freemanall90} considered asynchronous algorithms in
90 which each processor continues to update its approximations even
91 though the latest values of other approximations $z^{k}_{i}$ have not
92 been received from the other processors, in contrast with synchronous
93 algorithms where it would wait those values before making a new
94 iteration. Couturier and al.~\cite{cs01:nj} proposed two methods
95 of parallelization for a shared memory architecture with OpenMP and
96 for a distributed memory one with MPI. They are able to compute the
97 roots of sparse polynomials of degree 10,000. The authors showed an interesting
98 speedup that is 20 times as fast as the sequential implementation. 
99
100
101 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. %\LZK{Y a pas d'autres travaux pour la résolution de polynômes sur GPUs?}
102
103 In this paper we propose the parallelization of Ehrlich-Aberth method which has a good convergence and it is suitable to be implemented in parallel computers. We use 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:
104  \begin{itemize}
105
106 \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.
107 \item The parallel implementation of Ehrlich-Aberth algorithm on a
108   multi-GPU platform with a distributed memory using MPI API, such
109   that each GPU is attached and managed by a MPI process. The GPUs
110   exchange their data by message-passing communications.
111 \item
112   Our method is efficient to compute the roots of sparse and full
113   polynomials of degree up to 5 millions.
114  \end{itemize}
115 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.
116 %\LZK{Pas d'autres contributions possibles? J'ai supprimé les deux premiers points proposés précédemment.
117 %\AS{La résolution du problème pour des polynomes pleins de degré 6M est une contribution aussi à mon avis}}
118
119 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 multiple GPUs using the OpenMP and MPI approaches. In section~\ref{sec5} we present our experiments and discuss them. Finally, Section~\ref{sec6} concludes this paper and gives some hints for future research directions in this topic. 
120
121
122 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
123 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
124  
125 \section{Parallel programming models}
126 \label{sec2}
127 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.
128  
129 \subsection{OpenMP}
130
131
132 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. 
133
134 \subsection{MPI} 
135
136
137 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.
138  
139 \subsection{CUDA}
140
141
142 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. 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.
143
144
145 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
146 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
147
148 \section{The Ehrlich-Aberth algorithm on a GPU}
149 \label{sec3}
150
151 \subsection{The Ehrlich-Aberth method}
152
153 The Ehrlich-Aberth method is a simultaneous method~\cite{Aberth73} using the following iteration
154 \begin{equation}
155 \label{Eq:EA1}
156 z^{k+1}_{i}=z_{i}^{k}-\frac{\frac{p(z_{i}^{k})}{p'(z_{i}^{k})}}
157 {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,\ldots,n
158 \end{equation}
159
160 This method contains 4 steps. The first step consists in the
161 initializing the polynomial. The second step initializes the solution
162 vector $Z$ using the Guggenheimer method~\cite{Gugg86} to ensure that
163 initial roots are all distinct from each other. In step 3, the
164 iterative function based on the Newton's method~\cite{newt70} and
165 Weiestrass operator~\cite{Weierstrass03} is applied. In our case, the
166 Ehrlich-Aberth is applied as in~(\ref{Eq:EA1}). Iterations of the
167 Ehrlich-Aberth method will converge to the roots of the considered
168 polynomial. In order to stop the iterative function, a stop condition
169 is applied, this is the 4th step. This condition checks that all the
170 root modules are lower than a fixed value $\epsilon$.
171
172 \begin{equation}
173 \label{eq:Aberth-Conv-Cond}
174 \forall i\in[1,n],~\vert\frac{z_i^k-z_i^{k-1}}{z_i^k}\vert<\epsilon
175 \end{equation}
176
177 \subsection{Improving Ehrlich-Aberth method}
178 With high degree polynomials, the Ehrlich-Aberth method suffers from floating point overflows due to the mantissa of floating points representations. This induces errors in the computation of $p(z)$ when $z$ is large.
179  
180
181 In order to solve this problem, we propose to modify the iterative
182 function by using the logarithm and the exponential of a complex and
183 we propose a new version of the Ehrlich-Aberth method.  This method
184 allows us to exceed the computation of the polynomials of degree
185 100,000 and to reach a degree up to more than 1,000,000. The reformulation of the iteration~(\ref{Eq:EA1}) of the Ehrlich-Aberth method with exponential and logarithm operators is defined as follows, for $i=1,\dots,n$:
186
187 \begin{equation}
188 \label{Log_H2}
189 z^{k+1}_i = z_i^k - \exp(\ln(p(z_i^k)) - \ln(p'(z^k_i)) - \ln(1-Q(z^k_i))),
190 \end{equation}
191
192 where:
193
194 \begin{equation}
195 \label{Log_H1}
196 Q(z^k_i) = \exp(\ln(p(z^k_i)) - \ln(p'(z^k_i)) + \ln(\sum_{i\neq j}^n\frac{1}{z^k_i-z^k_j})).
197 \end{equation}
198
199
200
201 Using the logarithm  and the exponential operators, we can replace any
202 multiplications and divisions with additions and
203 subtractions. Consequently, computations manipulate lower values in
204 absolute values~\cite{Karimall98}. In practice, the  exponential and
205 logarithm mode is used a root excepts the circle unit, represented by the radius $R$ evaluated in C language as :
206 \begin{equation}
207 \label{R.EL}
208 R = exp(log(DBL\_MAX)/(2*n) );
209 \end{equation}
210 where \verb=DBL_MAX= stands for the maximum representable \verb=double= value.
211
212
213 \subsection{The Ehrlich-Aberth parallel implementation on CUDA}
214
215
216
217
218 The code is organized as kernels which are parts of code that are run
219 on GPU devices. Algorithm~\ref{alg1-cuda} describes the CUDA
220 implementation of the Ehrlich-Aberth on a GPU.  This algorithms starts
221 by initializing the polynomial and its derivative (line 1). The
222 initialization of the roots is performed (line 2). Data are transferred
223 from the CPU to the GPU (after allocation of the required memory on
224 the GPU) (line 3). Then at each iteration, if the error is greater
225 than a threshold, the following operations are performed. The previous
226 roots are saved using a kernel (line 5). Then the new roots with the
227 new iterations are computed using the EA method with a Gauss-Seidel
228 iteration mode in order to use the lastest updated roots (line
229 6). This improves the convergence. This kernel is, in practice, very
230 long since it performs all the operations with complex numbers with
231 the normal mode of the EA method but also with the
232 logarithm-exponential one. Then the error is computed with a final
233 kernel (line 7). Finally when the EA method has converged, the roots
234 are transferred from the GPU to the CPU.%\LZK{Quand est ce qu'on utilise un normal mode ou logarithm-exponential mode?}
235
236 \begin{algorithm}[htpb]
237 \label{alg1-cuda}
238 \LinesNumbered
239 \SetAlgoNoLine
240 \caption{Finding roots of polynomials with the Ehrlich-Aberth method on a GPU}
241 \KwIn{ $\epsilon$ (tolerance threshold)}
242 \KwOut{$Z$ (solution vector of roots)}
243 Initialize the polynomial $P$ and its derivative $P'$\;
244 Set the initial values of vector $Z$\;
245 Copy $P$, $P'$ and $Z$ from CPU to GPU\;
246 \While{$error > \epsilon$}{
247   $Z^{prev}$ = KernelSave($Z$)\;
248   $Z$ = KernelUpdate($P,P',Z$)\;
249   $error$ = KernelComputeError($Z,Z^{prev}$)\;
250 }
251 Copy $Z$ from GPU to CPU\;
252 \end{algorithm}
253
254
255 The development of this code is a rather long task, as the development
256 of corresponding kernels with CUDA is longer than on a CPU host. This
257 comes in particular from the fact that it is very difficult to debug
258 CUDA running threads like threads on a CPU host.  In the following
259 section the GPU parallel implementation of Ehrlich-Aberth method with
260 OpenMP and MPI is presented.
261
262
263
264
265  
266 \section{The Ehrlich-Aberth algorithm on multiple GPUs}
267 \label{sec4}
268 \subsection{An OpenMP-CUDA approach}
269 Our OpenMP-CUDA implementation of EA algorithm is based on the hybrid
270 OpenMP and CUDA programming model. This algorithm is presented in
271 Algorithm~\ref{alg2-cuda-openmp}.  All the data are shared with OpenMP
272 among all the OpenMP threads. The shared data are the solution vector
273 $Z$, the polynomial to solve $P$, its derivative $P'$, and the error
274 vector $error$. The number of OpenMP threads is equal to the number of
275 GPUs, each OpenMP thread binds to one GPU, and it controls a part of
276 the shared memory. More precisely each OpenMP thread will be
277 responsible to update its owns part of the vector $Z$. This part is
278 called $Z_{loc}$ in the following. Then all GPUs will have a grid of
279 computation organized according to the device performance and the size
280 of data on which it runs the computation kernels.
281
282 To compute one iteration of the EA method each GPU performs the
283 followings steps. First roots are shared with OpenMP and the
284 computation of the local size for each GPU is performed (line 4). Each
285 thread starts by copying all the previous roots inside its GPU (line
286 5). At each iteration, the following operations are performed. First
287 the vector $Z$ is transferred from the CPU to the GPU (line 7).  Each
288 GPU copies the previous roots (line 8) and it computes an iteration of
289 the EA method on its own roots (line 9).  For that all the other roots
290 are used. The local error is computed on the new roots (line 10) and
291 the max of the local errors is computed on all OpenMP threads (lien 11). At
292 the end of an iteration, the updated roots are copied from the GPU to
293 the CPU (line 12) by directly updating its own roots in the shared
294 memory arrays containing all the roots.
295
296
297
298 \begin{algorithm}[htpb]
299 \label{alg2-cuda-openmp}
300 \LinesNumbered
301 \SetAlgoNoLine
302 \caption{Finding roots of polynomials with the Ehrlich-Aberth method on multiple GPUs using OpenMP}
303 \KwIn{ $\epsilon$ (tolerance threshold)}
304 \KwOut{$Z$ (solution vector of roots)}
305 Initialize the polynomial $P$ and its derivative $P'$\;
306 Set the initial values of vector $Z$\;
307 Start of a parallel part with OpenMP ($Z$, $error$, $P$, $P'$ are shared variables)\;
308 Determine the local part of the OpenMP thread\;
309 Copy $P$, $P'$ from CPU to GPU\;
310 \While{$error > \epsilon$}{
311   Copy $Z$ from CPU to GPU\;
312   $Z^{prev}_{loc}$ = KernelSave($Z_{loc}$)\;
313   $Z_{loc}$ = KernelUpdate($P,P',Z$)\;
314   $error_{loc}$ = KernelComputeError($Z_{loc},Z^{prev}_{loc}$)\;
315   $error = max(error_{loc})$\;
316   Copy $Z_{loc}$ from GPU to $Z$ in CPU\;
317 }
318 \end{algorithm}
319
320
321
322
323
324 \subsection{A MPI-CUDA approach}
325
326 Our parallel implementation of EA to find roots of polynomials using a
327 CUDA-MPI approach follows a similar approach to the one used in
328 CUDA-OpenMP. Each process is responsible to compute its own part of
329 roots using all the roots computed by other processors at the previous
330 iteration. The difference between both approaches lies in the way
331 processes communicate and exchange data. With MPI, processors need to
332 send and receive data explicitly. So in
333 Algorithm~\ref{alg2-cuda-mpi}, after the initialization all the
334 processors have the same $Z$ vector. Then they need to compute the
335 parameters used by the $MPI\_AlltoAll$ routines (line 4). In practice,
336 each processor needs to compute its offset and its local
337 size. Processors need to allocate memory on their GPU and need to copy
338 their data on the GPU (line 5). At the beginning of each iteration, a
339 processor starts by transferring the whole vector $Z$ from the CPU to the
340 GPU (line 7). Only the local part of $Z^{prev}$ is saved (line
341 8). After that, a processor is able to compute an updated version of
342 its own roots (line 9) with the EA method. The local error is computed
343 (line 10) and the global error using $MPI\_Reduce$ (line 11). Then
344 the local roots are transferred from the GPU memory to the CPU memory
345 (line 12) before being exchanged between all processors (line 13) in
346 order to give to all processors the last version of the roots (with
347 the MPI\_AlltoAll routine). If the convergence is not satisfied, an
348 new iteration is executed.
349
350 \begin{algorithm}[htpb]
351 \label{alg2-cuda-mpi}
352 \LinesNumbered
353 \SetAlgoNoLine
354 \caption{Finding roots of polynomials with the Ehrlich-Aberth method on multiple GPUs using MPI}
355
356 \KwIn{  $\epsilon$ (tolerance threshold)}
357
358 \KwOut {$Z$ (solution vector of roots)}
359
360 \BlankLine
361 Initialize the polynomial $P$ and its derivative $P'$\;
362 Set the initial values of vector $Z$\;
363 Determine the local part of the MPI process\;
364 Computation of the parameters for the $MPI\_AlltoAll$\;
365 Copy $P$, $P'$ from CPU to GPU\;
366 \While {$error > \epsilon$}{
367   Copy $Z$ from CPU to GPU\;
368   $Z^{prev}_{loc}$ = KernelSave($Z_{loc}$)\;
369   $Z_{loc}$ = KernelUpdate($P,P',Z$)\;
370   $error_{loc}$ = KernelComputeError($Z_{loc},Z^{prev}_{loc}$)\;
371   $error=MPI\_Reduce(error_{loc})$\;
372   Copy $Z_{loc}$ from GPU to CPU\;
373   $Z=MPI\_AlltoAll(Z_{loc})$\;
374 }
375 \end{algorithm}
376
377
378 \section{Experiments}
379 \label{sec5}
380 We study two categories of polynomials: sparse polynomials and full polynomials.\\
381 {\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:
382 \begin{equation}
383         \forall \alpha_{1} \alpha_{2} \in \mathbb{C},\forall n_{1},n_{2} \in \mathbb{N}^{*}; p(z)= (z^{n_{1}}-\alpha_{1})(z^{n_{2}}-\alpha_{2})
384 \end{equation}\noindent
385 {\it A full polynomial} is, in contrast, a polynomial for which all the coefficients are not null. A full polynomial is defined by:
386
387 \begin{equation}
388      {\Large \forall \alpha_{i} \in \mathbb{C}, i\in \mathbb{N};  p(x)=\sum^{n}_{i=0} \alpha_{i}.x^{i}} 
389 \end{equation}
390
391 For our tests, 4 cards GPU Tesla Kepler K40 are used.  In order to evaluate both the GPU and Multi-GPU approaches, we performed a set of experiments on a single GPU and multiple GPUs using OpenMP or MPI with the EA algorithm, for both sparse and full polynomials of different sizes.  All experimental results obtained are performed with double precision float data and the convergence threshold of the EA method is set to $10^{-7}$.  The initialization values of the vector solution of the methods are given by Guggenheimer method~\cite{Gugg86}.
392
393 \subsection{Evaluation of the multi-GPUs approaches}
394 Here we evaluate the performances of the CUDA-OpenMP and CUDA-MPI approaches of the EA algorithm on different GPU platforms composed each of 1, 2, 3 or 4 GPUs. In this experiments we report the experimental results of the EA algorithms to find roots of different sparse and full polynomials of high degrees ranging from 100,000 to 1,400,000. Figures~\ref{fig:01} and~\ref{fig:02} show the execution times to solve, respectively, sparse and full polynomials with the CUDA-OpenMP algorithm, and Figures~\ref{fig:03} and~\ref{fig:04} show those to solve, respectively, sparse and full polynomials with the CUDA-MPI algorithm.
395
396 All these figures show that the CUDA-OpenMP and CUDA-MPI approaches of the EA algorithm, compared to the single GPU version, are efficient and scale well with multiple GPUs. Both approaches allow us to solve sparse and full polynomials of very high degrees. Using 4 GPUs allows us to achieve a quasi-linear speedup.
397
398 \begin{figure}[htbp]
399 \centering
400 \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_omp}
401 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method to solve sparse polynomials on multiple GPUs with CUDA-OpenMP.}
402 \label{fig:01}
403 \end{figure}
404
405 \begin{figure}[htbp]
406 \centering
407 \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_omp}
408 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method to solve full polynomials on multiple GPUs with CUDA-OpenMP.}
409 \label{fig:02}
410 \end{figure}
411
412 \begin{figure}[htbp]
413 \centering
414   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_mpi}
415  \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method to solve sparse polynomials on multiple GPUs with CUDA-MPI.}
416 \label{fig:03}
417  \end{figure}
418
419 \begin{figure}[htbp]
420  \centering
421   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_mpi}
422  \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for full polynomials on  multiple GPUs with CUDA-MPI.}
423  \label{fig:04}
424  \end{figure}
425
426
427 \subsection{Comparison between the CUDA-OpenMP and the CUDA-MPI approaches}
428 In the previous section we saw that both approaches are very efficient to reduce the execution times to solve sparse and full polynomials. In this section we try to compare these two approaches. In this experiment three sparse polynomials and three full polynomials of degrees 200,000, 800,000 and 1,400,000 are investigated. Figures~\ref{fig:05} and~\ref{fig:06} show the comparison between CUDA-OpenMP and CUDA-MPI algorithms of the EA method to solve sparse and full polynomials, respectively. 
429
430 \begin{figure}[htbp]
431 \centering
432  \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse}
433 \caption{Execution times  to solve sparse polynomials of three distinct degrees on multiple GPUs using OpenMP and MPI with the Ehrlich-Aberth method}
434 \label{fig:05}
435 \end{figure}
436
437 \begin{figure}[htbp]
438 \centering
439  \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full}
440 \caption{Execution times  to solve full polynomials of three distinct degrees on multiple GPUs using OpenMP and MPI with the Ehrlich-Aberth method}
441 \label{fig:06}
442 \end{figure}
443
444 In Figure~\ref{fig:05} there is one curve for CUDA-OpenMP and another one for CUDA-MPI. We can see that the results are quite similar between OpenMP and MPI for the polynomial degree of 200K. For the degree of 800K, the MPI version is a little bit slower than the OpenMP version but for the degree of 1,4 millions, there is a slight advantage for the MPI version. In Figure~\ref{fig:06}, we can see that when it comes to full polynomials, both approaches are almost equivalent.
445
446
447 \subsection{Solving sparse and full polynomials of the same degree on multiple GPUs}
448 In this experiment we compare the execution times of the EA algorithm according to the number of GPUs to solve sparse and full polynomials on multiple GPUs using OpenMP or MPI approaches. We chose three sparse and three full polynomials of degrees 200,000, 800,000 and 1,400,000. Figures~\ref{fig:07} and~\ref{fig:08} show the execution times to solve sparse and full polynomials of the same degrees with CUDA-OpenMP version and CUDA-MPI version, respectively.
449
450 \begin{figure}[htbp]
451 \centering
452  \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{OMP}
453 \caption{Execution times to solve sparse and full polynomials of three distinct degrees on multiple GPUs using OpenMP.}
454 \label{fig:07}
455 \end{figure}
456
457 \begin{figure}[htbp]
458 \centering
459  \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{MPI}
460 \caption{Execution times to solve sparse and full polynomials of three distinct degrees on multiple GPUs using MPI.}
461 \label{fig:08}
462 \end{figure}
463
464 In Figure ~\ref{fig:07} the execution times of the CUDA-OpenMP version to solve sparse polynomials are very low compared to those to solve full polynomials. With sparse polynomials the number of monomials is reduced, consequently the number of operations is reduced and the execution time decreases. Figure~\ref{fig:08} shows the impact of sparsity on the effectiveness of the CUDA-MPI approach. We can see that the impact follows the same pattern, a difference in execution times in favor of the sparse polynomials.
465
466
467 \subsection{Scalability of the EA method on multiple GPUs to solve very high degree polynomials}
468 These experiments report the execution times of the EA method for sparse and full polynomials of high degrees ranging from 1,000,000 to 5,000,000. In Figure~\ref{fig:09} we can see that both approaches (CUDA-OpenMP and CUDA-MPI) are scalable and can solve very high degree polynomials. In addition, with full polynomial as well as sparse ones, both approaches give very similar results.
469
470 \begin{figure}[htbp]
471 \centering
472  \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{big}
473  \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method to solve sparse and full polynomials of high degree on 4 GPUs for degrees ranging from 1M to 5M}
474 \label{fig:09}
475 \end{figure}
476  
477
478 \section{Conclusion}
479 \label{sec6}
480 In this paper, we have presented parallel implementations of the Ehrlich-Aberth algorithm to solve full and sparse polynomials, on a 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. Experiments show that, using parallel programming model like (OpenMP or MPI), we can efficiently manage multiple graphics cards to solve the same problem and accelerate the parallel execution with 4 GPUs and solve a polynomial of degree up-to 5,000,000 four times faster than on single GPU. 
481
482 Our next objective is to extend the model presented here with clusters of GPU nodes, with a three-level scheme: inter-node communications via MPI processes (distributed memory), management of multi-GPU nodes by OpenMP threads (shared memory).
483
484
485 \section*{Acknowledgment}
486 This  paper  is   partially  funded  by  the  Labex   ACTION  program  (contract
487 ANR-11-LABX-01-01). Computations have been performed on the supercomputer facilities of the Mésocentre de calcul de Franche-Comté. We also would like to thank Nvidia for hardware donation under CUDA Research Center 2014.
488
489
490 \bibliography{mybibfile}
491
492 \end{document}
493
494