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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
316
317 \begin{document}
318 %
319 % paper title
320 % Titles are generally capitalized except for words such as a, an, and, as,
321 % at, but, by, for, in, nor, of, on, or, the, to and up, which are usually
322 % not capitalized unless they are the first or last word of the title.
323 % Linebreaks \\ can be used within to get better formatting as desired.
324 % Do not put math or special symbols in the title.
325 \title{A parallel implementation of Ehrlich-Aberth algorithm  for root finding of polynomials
326 on Multi-GPU with OpenMP/MPI}
327
328
329 % author names and affiliations
330 % use a multiple column layout for up to three different
331 % affiliations
332 \author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell}
333 \IEEEauthorblockA{School of Electrical and\\Computer Engineering\\
334 Georgia Institute of Technology\\
335 Atlanta, Georgia 30332--0250\\
336 Email: http://www.michaelshell.org/contact.html}
337 \and
338 \IEEEauthorblockN{Homer Simpson}
339 \IEEEauthorblockA{Twentieth Century Fox\\
340 Springfield, USA\\
341 Email: homer@thesimpsons.com}
342 \and
343 \IEEEauthorblockN{James Kirk\\ and Montgomery Scott}
344 \IEEEauthorblockA{Starfleet Academy\\
345 San Francisco, California 96678--2391\\
346 Telephone: (800) 555--1212\\
347 Fax: (888) 555--1212}}
348
349 % conference papers do not typically use \thanks and this command
350 % is locked out in conference mode. If really needed, such as for
351 % the acknowledgment of grants, issue a \IEEEoverridecommandlockouts
352 % after \documentclass
353
354 % for over three affiliations, or if they all won't fit within the width
355 % of the page, use this alternative format:
356
357 %\author{\IEEEauthorblockN{Michael Shell\IEEEauthorrefmark{1},
358 %Homer Simpson\IEEEauthorrefmark{2},
359 %James Kirk\IEEEauthorrefmark{3}, 
360 %Montgomery Scott\IEEEauthorrefmark{3} and
361 %Eldon Tyrell\IEEEauthorrefmark{4}}
362 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}School of Electrical and Computer Engineering\\
363 %Georgia Institute of Technology,
364 %Atlanta, Georgia 30332--0250\\ Email: see http://www.michaelshell.org/contact.html}
365 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}Twentieth Century Fox, Springfield, USA\\
366 %Email: homer@thesimpsons.com}
367 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{3}Starfleet Academy, San Francisco, California 96678-2391\\
368 %Telephone: (800) 555--1212, Fax: (888) 555--1212}
369 %\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{4}Tyrell Inc., 123 Replicant Street, Los Angeles, California 90210--4321}}
370
371
372
373
374 % use for special paper notices
375 %\IEEEspecialpapernotice{(Invited Paper)}
376
377
378
379
380 % make the title area
381 \maketitle
382
383 % As a general rule, do not put math, special symbols or citations
384 % in the abstract
385 \begin{abstract}
386 The abstract goes here.
387 \end{abstract}
388
389 % no keywords
390
391
392
393
394 % For peer review papers, you can put extra information on the cover
395 % page as needed:
396 % \ifCLASSOPTIONpeerreview
397 % \begin{center} \bfseries EDICS Category: 3-BBND \end{center}
398 % \fi
399 %
400 % For peerreview papers, this IEEEtran command inserts a page break and
401 % creates the second title. It will be ignored for other modes.
402 \IEEEpeerreviewmaketitle
403
404
405
406 \section{Introduction}
407 Polynomials are mathematical algebraic structures used in science and engineering to capture physical phenomena and to express any outcome in the form of a function of some unknown variables. Formally speaking,  a polynomial $p(x)$ of degree \textit{n} having $n$ coefficients in the complex plane \textit{C} is :
408 %%\begin{center}
409 \begin{equation}
410      {\Large p(x)=\sum_{i=0}^{n}{a_{i}x^{i}}}.
411 \end{equation}
412 %%\end{center}
413
414 The root finding problem consists in finding the values of all the $n$ values of the variable $x$ for which \textit{p(x)} is nullified. Such values are called zeros of $p$. If zeros are $\alpha_{i},\textit{i=1,...,n}$ the $p(x)$ can be written as :
415 \begin{equation}
416      {\Large p(x)=a_{n}\prod_{i=1}^{n}(x-\alpha_{i}), a_{0} a_{n}\neq 0}.
417 \end{equation}
418
419 The problem of finding the roots of polynomials is encountered in different applications. Most of the numerical methods that deal with this problem are simultaneous ones. 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:
420 \begin{equation}
421 \label{DK}
422  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,
423 \end{equation}
424 %%\end{center}
425 where $z_i^k$ is the $i^{th}$ root of the polynomial $p$ at the
426 iteration $k$.
427 Another method discovered by
428 Borsch-Supan~\cite{ Borch-Supan63} and also described and brought
429 in the following form by Ehrlich~\cite{Ehrlich67} and
430 Aberth~\cite{Aberth73} uses a different iteration formula given as:
431 %%\begin{center}
432 \begin{equation}
433 \label{Eq:EA}
434  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,
435 \end{equation}
436 %%\end{center}
437 where $p'(z)$ is the polynomial derivative of $p$ evaluated in the
438 point $z$.
439
440 %Aberth, Ehrlich and Farmer-Loizou~\cite{Loizou83} have proved that
441 %the Ehrlich-Aberth method (EA) has a cubic order of convergence for simple roots whereas the Durand-Kerner has a quadratic order of %convergence.
442
443 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 implementation of simultaneous methods in parallel. Freeman [10] implemented and compared DK, EA and another method of the fourth order proposed by Farmer
444 and Loizou [9], on a 8-processor linear chain, for polynomials of degree up to 8.
445 The third method often diverges, but the first two methods have speed-up equal to 5.5. Later, Freeman and Bane [11] 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
446 making a new iteration. Couturier and al. [12] 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 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.
447
448 Very few works had been performed since this last work until the appearing of the Compute Unified Device Architecture (CUDA) [13], 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 [14] 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.
449
450 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 a parallel programming paradigms (OpenMP, MPI) on GPUs. We consider two architectures: Shared memory with OpenMP API based on threads from the same system process, which each thread is attached to one GPU and after the various memory allocation, each thread throws its part of calculation ( to do this you must first load on the GPU required data and after Suddenly repatriate the result on the host). Distributed memory with MPI: The MPI library is often used for parallel programming [11] in
451 cluster systems because it is a message-passing programming language. Each GPU are attached to one process MPI, 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
452 HPC architectures where accelerators are deployed. 
453  
454 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 MGPU 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.
455  
456  
457 \section{Parallel Programmings Model}
458  
459 \subsection{OpenMP}%L'article en anglais Multi-GPU and multi-CPU accelerated FDTD scheme for vibroacoustic applications 
460 Open Multi-Processing (OpenMP) is a shared memory architecture API that provides multi thread capacity [22]. OpenMP is
461 a portable approach for parallel programming on shared memory systems based on compiler directives, that can be included in order
462 to parallelize a loop. In this way, a set of loops can be distributed along the different threads that will access to different data allo-
463 cated 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
464 performance in large scale applications. Although, in OpenMP a usage of threads ids and managing data explicitly as done in an MPI
465 code can be considered, it defeats the advantages of OpenMP.
466
467 \subsection{OpenMP} %L'article en Français Programmation multiGPU – OpenMP versus MPI
468 OpenMP is a shared memory programming API based on threads from
469 the same system process. Designed for multiprocessor shared memory UMA or
470 NUMA [10], it relies on the execution model SPMD ( Single Program, Multiple Data Stream )
471 where the thread "master" and threads "slaves" asynchronously execute their codes
472 communicate / synchronize via shared memory [7]. It also helps to build
473 the loop parallelism and is very suitable for an incremental code parallelization
474 Sequential natively. Threads share some or all of the available memory and can
475 have private memory areas [6].
476
477 \subsection{MPI} %L'article en Français Programmation multiGPU – OpenMP versus MPI
478  The library MPI allows to use a distributed memory architecture. The various processes have their own environment of execution and execute their codes in a asynchronous way, according to the model MIMD (Multiple Instruction streams, Multiple Dated streams); they communicate and synchronize by exchanges of messages [17]. MPI messages are explicitly sent, while the exchanges are implicit within the framework of a programming multi-thread (OpenMP/Pthreads).
479  
480 \subsection{CUDA}%L'article en anglais Multi-GPU and multi-CPU accelerated FDTD scheme for vibroacoustic applications
481  CUDA (an acronym for Compute Unified Device Architecture) is a parallel computing architecture developed by NVIDIA [28]. The
482 unit of execution in CUDA is called a thread. Each thread executes the kernel by the streaming processors in parallel. In CUDA,
483 a group of threads that are executed together is called thread blocks, and the computational grid consists of a grid of thread
484 blocks. Additionally, a thread block can use the shared memory on a single multiprocessor as while as the grid executes a single
485 CUDA program logically in parallel. Thus in CUDA programming, it is necessary to design carefully the arrangement of the thread
486 blocks in order to ensure low latency and a proper usage of shared memory, since it can be shared only in a thread block
487 scope. The effective bandwidth of each memory space depends on the memory access pattern. Since the global memory has lower
488 bandwidth than the shared memory, the global memory accesses should be minimized.
489
490
491 We introduced three paradigms of parallel programming. Our objective consist to implement an algorithm of root finding polynomial on multiple GPUs. It primordial to know how manage CUDA context of different GPUs. A direct method for controlling the various GPU is to use as many threads or processes that GPU. We can choose the GPU index based on the identifier of OpenMP thread or the rank of the MPI process. Both approaches will be created.
492
493 \section{The EA algorithm on single GPU}
494 \subsection{the EA method}
495 the Ehrlich-Aberth method is an iterative  method , contain 4 steps, start from the initial approximations of all the
496 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
497 are lower than a fixed value $ε$ 
498 \subsection{EA parallel implementation on CUDA}
499 Like any parallel code, a GPU parallel implementation first
500 requires to determine the sequential tasks and the
501 parallelizable parts of the sequential version of the
502 program/algorithm. In our case, all the operations that are easy
503 to execute in parallel must be made by the GPU to accelerate
504 the execution of the application, like the step 3 and step 4. On the other hand, all the
505 sequential operations and the operations that have data
506 dependencies between threads or recursive computations must
507 be executed by only one CUDA or CPU thread (step 1 and step 2). Initially we specifies the organization of threads in parallel, need to specify the dimension of the grid Dimgrid: the number of block per grid and block by DimBlock: the number of threads per block required to process a certain task. 
508
509 we create the kernel, for step 3 we have two kernels, the
510 first named \textit{save} is used to save vector $Z^{K-1}$ and the kernel
511 \textit{update} is used to update the $Z^{K}$ vector. In step 4 a kernel is
512 created to test the convergence of the method. In order to
513 compute function H, we have two possibilities: either to use
514 the Jacobi method, or the Gauss-Seidel method which uses the
515 most recent computed roots. It is well known that the Gauss-
516 Seidel mode converges more quickly. So, we used the Gauss-Seidel mode of iteration. To
517 parallelize the code, we created kernels and many functions to
518 be executed on the GPU for all the operations dealing with the
519 computation on complex numbers and the evaluation of the
520 polynomials. As said previously, we managed both functions
521 of evaluation of a polynomial: the normal method, based on
522 the method of Horner and the method based on the logarithm
523 of the polynomial. All these methods were rather long to
524 implement, as the development of corresponding kernels with
525 CUDA is longer than on a CPU host. This comes in particular
526 from the fact that it is very difficult to debug CUDA running
527 threads like threads on a CPU host. In the following paragraph
528 Algorithm 1 shows the GPU parallel implementation of Ehrlich-Aberth method.
529
530 Algorithm~\ref{alg2-cuda} shows a sketch of the Ehrlich-Aberth method using CUDA.
531
532 \begin{enumerate}
533 \begin{algorithm}[htpb]
534 \label{alg2-cuda}
535 %\LinesNumbered
536 \caption{CUDA Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
537
538 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (Error tolerance
539   threshold), P (Polynomial to solve), Pu (Derivative of P), $n$ (Polynomial degrees), $\Delta z_{max}$ (Maximum value of stop condition)}
540
541 \KwOut {$Z$ (Solution root's vector), $ZPrec$ (Previous solution root's vector)}
542
543 \BlankLine
544
545 \item Initialization of the of P\;
546 \item Initialization of the of Pu\;
547 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
548 \item Allocate and copy initial data to the GPU global memory\;
549 \item k=0\;
550 \While {$\Delta z_{max} > \epsilon$}{
551 \item Let $\Delta z_{max}=0$\;
552 \item $ kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
553 \item  k=k+1\;
554 \item $ kernel\_update(Z,P,Pu)$\;
555 \item $kernel\_testConverge(\Delta z_{max},Z,ZPrec)$\;
556
557 }
558 \item Copy results from GPU memory to CPU memory\;
559 \end{algorithm}
560 \end{enumerate}
561 ~\\ 
562
563
564  
565 \section{The EA algorithm on Multi-GPU}
566
567 \subsection{MGPU (OpenMP-CUDA)approach}
568 \subsection{MGPU (MPI-CUDA)approach}
569
570 \section{experiments}
571
572 \begin{figure}[htbp]
573 \centering
574   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_openmp}
575 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse polynomials on GPUs using shared memory paradigm with OpenMP}
576 \label{fig:01}
577 \end{figure}
578
579 \begin{figure}[htbp]
580 \centering
581   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_mpi}
582 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse polynomials on GPUs using distributed memory paradigm with MPI}
583 \label{fig:02}
584 \end{figure}
585
586 \begin{figure}[htbp]
587 \centering
588   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_openmp}
589 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials on GPUs using shared memory paradigm with OpenMP}
590 \label{fig:03}
591 \end{figure}
592
593 \begin{figure}[htbp]
594 \centering
595   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_mpi}
596 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for full polynomials on GPUs using distributed memory paradigm with MPI}
597 \label{fig:04}
598 \end{figure}
599
600 \begin{figure}[htbp]
601 \centering
602   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_mpivsomp}
603 \caption{Comparaison between MPI and OpenMP versions of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse plynomials on GPUs}
604 \label{fig:05}
605 \end{figure}
606
607 \begin{figure}[htbp]
608 \centering
609   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_mpivsomp}
610 \caption{Comparaison between MPI and OpenMP versions of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials on GPUs}
611 \label{fig:06}
612 \end{figure}
613
614 \begin{figure}[htbp]
615 \centering
616   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{MPI_mpivsomp}
617 \caption{Comparaison of execution times of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse and full polynomials on GPUs with distributed memory paradigm using MPI}
618 \label{fig:07}
619 \end{figure}
620
621 \begin{figure}[htbp]
622 \centering
623   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{OMP_mpivsomp}
624 \caption{Comparaison of execution times of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse and full polynomials on GPUs with shared memory paradigm using OpenMP}
625 \label{fig:08}
626 \end{figure}
627
628 % An example of a floating figure using the graphicx package.
629 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
630 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
631 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
632 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
633 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
634 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
635 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
636 %
637 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
638 % option should be used if it is desired that the figures are to be
639 % displayed while in draft mode.
640 %
641 %\begin{figure}[!t]
642 %\centering
643 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
644 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
645 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
646 % via \DeclareGraphicsExtensions.
647 %\caption{Simulation results for the network.}
648 %\label{fig_sim}
649 %\end{figure}
650
651 % Note that the IEEE typically puts floats only at the top, even when this
652 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
653
654
655 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
656 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
657 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command,
658 % and the \label for the overall figure must come after \caption.
659 % \hfil is used as a separator to get equal spacing.
660 % Watch out that the combined width of all the subfigures on a 
661 % line do not exceed the text width or a line break will occur.
662 %
663 %\begin{figure*}[!t]
664 %\centering
665 %\subfloat[Case I]{\includegraphics[width=2.5in]{box}%
666 %\label{fig_first_case}}
667 %\hfil
668 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{box}%
669 %\label{fig_second_case}}
670 %\caption{Simulation results for the network.}
671 %\label{fig_sim}
672 %\end{figure*}
673 %
674 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
675 % captions (using the optional argument to \subfloat[]), but instead will
676 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
677 % Be aware that for subfig.sty to generate the (a), (b), etc., subfigure
678 % labels, the optional argument to \subfloat must be present. If a
679 % subcaption is not desired, just leave its contents blank,
680 % e.g., \subfloat[].
681
682
683 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the
684 % \caption command should come BEFORE the table and, given that table
685 % captions serve much like titles, are usually capitalized except for words
686 % such as a, an, and, as, at, but, by, for, in, nor, of, on, or, the, to
687 % and up, which are usually not capitalized unless they are the first or
688 % last word of the caption. Table text will default to \footnotesize as
689 % the IEEE normally uses this smaller font for tables.
690 % The \label must come after \caption as always.
691 %
692 %\begin{table}[!t]
693 %% increase table row spacing, adjust to taste
694 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
695 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
696 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
697 %\caption{An Example of a Table}
698 %\label{table_example}
699 %\centering
700 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
701 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
702 %\begin{tabular}{|c||c|}
703 %\hline
704 %One & Two\\
705 %\hline
706 %Three & Four\\
707 %\hline
708 %\end{tabular}
709 %\end{table}
710
711
712 % Note that the IEEE does not put floats in the very first column
713 % - or typically anywhere on the first page for that matter. Also,
714 % in-text middle ("here") positioning is typically not used, but it
715 % is allowed and encouraged for Computer Society conferences (but
716 % not Computer Society journals). Most IEEE journals/conferences use
717 % top floats exclusively. 
718 % Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
719 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the
720 % \fnbelowfloat command of the stfloats package.
721
722
723
724
725 \section{Conclusion}
726 The conclusion goes here.
727
728
729
730
731 % conference papers do not normally have an appendix
732
733
734 % use section* for acknowledgment
735 \section*{Acknowledgment}
736
737
738 The authors would like to thank...
739
740
741
742
743
744 % trigger a \newpage just before the given reference
745 % number - used to balance the columns on the last page
746 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
747 % the document is modified later
748 %\IEEEtriggeratref{8}
749 % The "triggered" command can be changed if desired:
750 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
751
752 % references section
753
754 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
755 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
756 % http://mirror.ctan.org/biblio/bibtex/contrib/doc/
757 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
758 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
759 %\bibliographystyle{IEEEtran}
760 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
761 %\bibliography{IEEEabrv,../bib/paper}
762 %
763 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
764 % set second argument of \begin to the number of references
765 % (used to reserve space for the reference number labels box)
766 \begin{thebibliography}{1}
767
768 \bibitem{IEEEhowto:kopka}
769 H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
770   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
771
772 \end{thebibliography}
773
774
775
776
777 % that's all folks
778 \end{document}
779
780