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Private GIT Repository
f70400bec467ce9679ca80c63d312930f8942281
[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 %\begin{figure}[htbp]
496 %\centering
497  % \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{EA-Algorithm}
498 %\caption{The Ehrlich-Aberth algorithm on single GPU}
499 %\label{fig:03}
500 %\end{figure}
501
502 the Ehrlich-Aberth method is an iterative  method, contain 4 steps, start from the initial approximations of all the
503 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
504 are lower than a fixed value $ε$ 
505 \subsection{EA parallel implementation on CUDA}
506 Like any parallel code, a GPU parallel implementation first
507 requires to determine the sequential tasks and the
508 parallelizable parts of the sequential version of the
509 program/algorithm. In our case, all the operations that are easy
510 to execute in parallel must be made by the GPU to accelerate
511 the execution of the application, like the step 3 and step 4. On the other hand, all the
512 sequential operations and the operations that have data
513 dependencies between threads or recursive computations must
514 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. 
515
516 we create the kernel, for step 3 we have two kernels, the
517 first named \textit{save} is used to save vector $Z^{K-1}$ and the kernel
518 \textit{update} is used to update the $Z^{K}$ vector. In step 4 a kernel is
519 created to test the convergence of the method. In order to
520 compute function H, we have two possibilities: either to use
521 the Jacobi method, or the Gauss-Seidel method which uses the
522 most recent computed roots. It is well known that the Gauss-
523 Seidel mode converges more quickly. So, we used the Gauss-Seidel mode of iteration. To
524 parallelize the code, we created kernels and many functions to
525 be executed on the GPU for all the operations dealing with the
526 computation on complex numbers and the evaluation of the
527 polynomials. As said previously, we managed both functions
528 of evaluation of a polynomial: the normal method, based on
529 the method of Horner and the method based on the logarithm
530 of the polynomial. All these methods were rather long to
531 implement, as the development of corresponding kernels with
532 CUDA is longer than on a CPU host. This comes in particular
533 from the fact that it is very difficult to debug CUDA running
534 threads like threads on a CPU host. In the following paragraph
535 Algorithm 1 shows the GPU parallel implementation of Ehrlich-Aberth method.
536
537 Algorithm~\ref{alg2-cuda} shows a sketch of the Ehrlich-Aberth method using CUDA.
538
539 \begin{enumerate}
540 \begin{algorithm}[htpb]
541 \label{alg2-cuda}
542 %\LinesNumbered
543 \caption{CUDA Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
544
545 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (Error tolerance
546   threshold), P (Polynomial to solve), Pu (Derivative of P), $n$ (Polynomial degrees), $\Delta z_{max}$ (Maximum value of stop condition)}
547
548 \KwOut {$Z$ (Solution root's vector), $ZPrec$ (Previous solution root's vector)}
549
550 \BlankLine
551
552 \item Initialization of the of P\;
553 \item Initialization of the of Pu\;
554 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
555 \item Allocate and copy initial data to the GPU global memory\;
556 \item k=0\;
557 \While {$\Delta z_{max} > \epsilon$}{
558 \item Let $\Delta z_{max}=0$\;
559 \item $ kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
560 \item  k=k+1\;
561 \item $ kernel\_update(Z,P,Pu)$\;
562 \item $kernel\_testConverge(\Delta z_{max},Z,ZPrec)$\;
563
564 }
565 \item Copy results from GPU memory to CPU memory\;
566 \end{algorithm}
567 \end{enumerate}
568 ~\\ 
569
570
571  
572 \section{The EA algorithm on Multi-GPU}
573
574 \subsection{MGPU (OpenMP-CUDA)approach}
575 Our OpenMP-CUDA implementation of EA algorithm is based on the hybrid OpenMP and CUDA programming model. It works
576 as follows.
577 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 $P$. vector of error of stop condition $\Delta z$. Let(T\_omp) number of OpenMP threads is equal to the number of GPUs, each threads OpenMP checks one GPU,  and control a part of the shared memory, that is a part of the vector Z  like: $(n/num\_gpu)$ roots, n: the polynomial's degrees, $num\_gpu$ the number of GPUs. Each OpenMP thread copies its data from host memory to GPU’s device memory.Than every GPU will have a grid of computation organized with its performances and the size of data of which it checks and compute 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).
578
579 %\begin{figure}[htbp]
580 %\centering
581  % \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{OpenMP-CUDA}
582 %\caption{The OpenMP-CUDA architecture}
583 %\label{fig:03}
584 %\end{figure}
585 %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:
586
587 $num_gpus$ thread OpenMP are created using \verb=omp_set_num_threads();=function (line,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}), than each OpenMP threads allocate and copy initial data from CPU memory to the GPU global memories, execute the kernels on GPU, Than each threads OpenMP compute 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, OpenMP threads synchronize using \verb=#pragma omp barrier;= to recuperate all values of vector $\Delta z$, than compute the maximum stop condition in vector $\Delta z$(line 12, Algorithm \ref{alg2-cuda-openmp}), copy the result from GPU memories to CPU memory. The OpenMP threads execute kernels until the roots converge sufficiently.  
588 \begin{enumerate}
589 \begin{algorithm}[htpb]
590 \label{alg2-cuda-openmp}
591 %\LinesNumbered
592 \caption{CUDA-OpenMP Algorithm to find roots with the Ehrlich-Aberth method}
593
594 \KwIn{$Z^{0}$ (Initial root's vector), $\varepsilon$ (Error tolerance
595   threshold), P (Polynomial to solve), Pu (Derivative of P), $n$ (Polynomial degrees), $\Delta z$ ( Vector of errors of stop condition), $num_gpus$ (number of OpenMP threads/ number of GPUs), $Size$ (number of roots)}
596
597 \KwOut {$Z$ (Solution root's vector), $ZPrec$ (Previous solution root's vector)}
598
599 \BlankLine
600
601 \item Initialization of the of P\;
602 \item Initialization of the of Pu\;
603 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
604 \verb=omp_set_num_threads(num_gpus);=
605 \verb=#pragma omp parallel shared(Z,$\Delta$ z,P);=
606 \verb=cudaGetDevice(gpu_id);=
607 \item Allocate and copy initial data from CPU memory to the GPU global memories\;
608 \item index= $Size/num\_gpus$\;
609 \item k=0\;
610 \While {$error > \epsilon$}{
611 \item Let $\Delta z=0$\;
612 \item $ kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
613 \item  k=k+1\;
614 \item $ kernel\_update(Z,P,Pu,index)$\;
615 \item $kernel\_testConverge(\Delta z[gpu\_id],Z,ZPrec)$\;
616 %\verb=#pragma omp barrier;=
617 \item error= Max($\Delta z$)\;
618 }
619
620 \item Copy results from GPU memories to CPU memory\;
621 \end{algorithm}
622 \end{enumerate}
623 ~\\ 
624
625
626
627 \subsection{Multi-GPU (MPI-CUDA)approach}
628 %\begin{figure}[htbp]
629 %\centering
630  % \includegraphics[angle=-90,width=0.2\textwidth]{MPI-CUDA}
631 %\caption{The MPI-CUDA architecture }
632 %\label{fig:03}
633 %\end{figure}
634 Our parallel implementation of the Ehrlich-Aberth method to find root polynomial using (CUDA-MPI) approach, splits input data of the polynomial to solve between MPI processes. From Algorithm 3, the 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 size 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 element mentioned above. Consequently, each MPI process $k$ will have its own solution vector $Z_{k}$,polynomial to be solved $p_{k}$, the error of stop condition $\Delta z_{k}$, Than each MPI processes compute only $⌈n/p⌉$ roots.
635
636 Since a GPU works only on data of its memory, all local input data, $Z_{k}, p_{k}$ and $\Delta z_{k}$, must be transferred from CPU memories to the corresponding GPU memories. Afterward, the same EA algorithm (Algorithm 1) is run by all processes but on different sub-polynomial root $ p(x)_{k}=\sum_{i=k(\frac{n}{p})}^{k+1(\frac{n}{p})} a_{i}x^{i}, k=1,...,p$.  Each processes MPI execute the  loop \verb=(While(...)...do)= contain the kernels. Than each process MPI  compute only his portion of roots indicated with variable \textit{index} initialized in (line 5, Algorithm \ref{alg2-cuda-mpi}), used as input data in the $kernel\_update$ (line 10, Algorithm \ref{alg2-cuda-mpi}). After each iteration, MPI processes synchronize using \verb=MPI_Allreduce= function, in order to compute the maximum error stops condition $\Delta z_{k}$ computed by each process MPI line (line, Algorithm\ref{alg2-cuda-mpi}), and  copy the values of new roots computed from GPU memories to CPU memories, than communicate  her results to the neighboring processes,using \verb=MPI_Alltoallv=. If maximum stop condition $error > \epsilon$ the processes stay to execute the loop \verb= while(...)...do= until all the roots converge sufficiently.
637
638 \begin{enumerate}
639 \begin{algorithm}[htpb]
640 \label{alg2-cuda-mpi}
641 %\LinesNumbered
642 \caption{CUDA-MPI 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), $\Delta z$ ( error of stop condition), $num_gpus$ (number of MPI processes/ number of GPUs), Size (number of roots)}
646
647 \KwOut {$Z$ (Solution root's vector), $ZPrec$ (Previous solution root's vector)}
648
649 \BlankLine
650 \item Initialization of the P\;
651 \item Initialization of the Pu\;
652 \item Initialization of the solution vector $Z^{0}$\;
653 \item Allocate and copy initial data from CPU memories to the GPU global memories\;
654 \item $index= Size/num_gpus$\;
655 \item k=0\;
656 \While {$error > \epsilon$}{
657 \item Let $\Delta z=0$\;
658 \item $ kernel\_save(ZPrec,Z)$\;
659 \item  k=k+1\;
660 \item $ kernel\_update(Z,P,Pu,index)$\;
661 \item $kernel\_testConverge(\Delta z,Z,ZPrec)$\;
662 \item ComputeMaxError($\Delta z$,error)\;
663 \item Copy results from GPU memories to CPU memories\;
664 \item Send $Z[id]$ to all neighboring processes\;
665 \item Receive $Z[j]$ from neighboring process j\;
666
667
668 }
669 \end{algorithm}
670 \end{enumerate}
671 ~\\ 
672
673 \section{experiments}
674 We study two categories of polynomials: sparse polynomials and full polynomials.\\
675 {\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:
676 \begin{equation}
677         \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})
678 \end{equation}\noindent
679 {\it A full polynomial} is, in contrast, a polynomial for which all the coefficients are not null. A full polynomial is defined by:
680 %%\begin{equation}
681         %%\forall \alpha_{i} \in C,\forall n_{i}\in N^{*}; P(z)= \sum^{n}_{i=1}(z^{n^{i}}.a_{i})
682 %%\end{equation}
683
684 \begin{equation}
685      {\Large \forall a_{i} \in C, i\in N;  p(x)=\sum^{n}_{i=0} a_{i}.x^{i}} 
686 \end{equation}
687 For our tests, a CPU Intel(R) Xeon(R) CPU E5620@2.40GHz and a GPU K40 (with 6 Go of ram) are used. 
688
689 We performed a set of experiments on single GPU and Multi-GPU using (OpenMP/MPI) to find roots polynomials with EA algorithm, for both sparse and full polynomials of different sizes. We took into account the execution times and the  polynomial size performed by sum or each experiment.
690 All experimental results obtained from the simulations are made in
691 double precision data, the convergence threshold of the methods is set
692 to $10^{-7}$.
693 %Since we were more interested in the comparison of the
694 %performance behaviors of Ehrlich-Aberth and Durand-Kerner methods on
695 %CPUs versus on GPUs.
696 The initialization values of the vector solution
697 of the methods are given in %Section~\ref{sec:vec_initialization}.
698 \begin{figure}[htbp]
699 \centering
700   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_openmp}
701 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse polynomials on GPUs using shared memory paradigm with OpenMP}
702 \label{fig:01}
703 \end{figure}
704
705 \begin{figure}[htbp]
706 \centering
707   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_mpi}
708 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse polynomials on GPUs using distributed memory paradigm with MPI}
709 \label{fig:02}
710 \end{figure}
711
712 \begin{figure}[htbp]
713 \centering
714   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_openmp}
715 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials on GPUs using shared memory paradigm with OpenMP}
716 \label{fig:03}
717 \end{figure}
718
719 \begin{figure}[htbp]
720 \centering
721   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_mpi}
722 \caption{Execution times in seconds of the Ehrlich-Aberth method for full polynomials on GPUs using distributed memory paradigm with MPI}
723 \label{fig:04}
724 \end{figure}
725
726 \begin{figure}[htbp]
727 \centering
728   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Sparse_mpivsomp}
729 \caption{Comparaison between MPI and OpenMP versions of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse plynomials on GPUs}
730 \label{fig:05}
731 \end{figure}
732
733 \begin{figure}[htbp]
734 \centering
735   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{Full_mpivsomp}
736 \caption{Comparaison between MPI and OpenMP versions of the Ehrlich-Aberth method for solving full polynomials on GPUs}
737 \label{fig:06}
738 \end{figure}
739
740 \begin{figure}[htbp]
741 \centering
742   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{MPI_mpivsomp}
743 \caption{Comparaison of execution times of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse and full polynomials on GPUs with distributed memory paradigm using MPI}
744 \label{fig:07}
745 \end{figure}
746
747 \begin{figure}[htbp]
748 \centering
749   \includegraphics[angle=-90,width=0.5\textwidth]{OMP_mpivsomp}
750 \caption{Comparaison of execution times of the Ehrlich-Aberth method for solving sparse and full polynomials on GPUs with shared memory paradigm using OpenMP}
751 \label{fig:08}
752 \end{figure}
753
754 % An example of a floating figure using the graphicx package.
755 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
756 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
757 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
758 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
759 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
760 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
761 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
762 %
763 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
764 % option should be used if it is desired that the figures are to be
765 % displayed while in draft mode.
766 %
767 %\begin{figure}[!t]
768 %\centering
769 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
770 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
771 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
772 % via \DeclareGraphicsExtensions.
773 %\caption{Simulation results for the network.}
774 %\label{fig_sim}
775 %\end{figure}
776
777 % Note that the IEEE typically puts floats only at the top, even when this
778 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
779
780
781 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
782 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
783 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command,
784 % and the \label for the overall figure must come after \caption.
785 % \hfil is used as a separator to get equal spacing.
786 % Watch out that the combined width of all the subfigures on a 
787 % line do not exceed the text width or a line break will occur.
788 %
789 %\begin{figure*}[!t]
790 %\centering
791 %\subfloat[Case I]{\includegraphics[width=2.5in]{box}%
792 %\label{fig_first_case}}
793 %\hfil
794 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{box}%
795 %\label{fig_second_case}}
796 %\caption{Simulation results for the network.}
797 %\label{fig_sim}
798 %\end{figure*}
799 %
800 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
801 % captions (using the optional argument to \subfloat[]), but instead will
802 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
803 % Be aware that for subfig.sty to generate the (a), (b), etc., subfigure
804 % labels, the optional argument to \subfloat must be present. If a
805 % subcaption is not desired, just leave its contents blank,
806 % e.g., \subfloat[].
807
808
809 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the
810 % \caption command should come BEFORE the table and, given that table
811 % captions serve much like titles, are usually capitalized except for words
812 % such as a, an, and, as, at, but, by, for, in, nor, of, on, or, the, to
813 % and up, which are usually not capitalized unless they are the first or
814 % last word of the caption. Table text will default to \footnotesize as
815 % the IEEE normally uses this smaller font for tables.
816 % The \label must come after \caption as always.
817 %
818 %\begin{table}[!t]
819 %% increase table row spacing, adjust to taste
820 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
821 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
822 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
823 %\caption{An Example of a Table}
824 %\label{table_example}
825 %\centering
826 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
827 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
828 %\begin{tabular}{|c||c|}
829 %\hline
830 %One & Two\\
831 %\hline
832 %Three & Four\\
833 %\hline
834 %\end{tabular}
835 %\end{table}
836
837
838 % Note that the IEEE does not put floats in the very first column
839 % - or typically anywhere on the first page for that matter. Also,
840 % in-text middle ("here") positioning is typically not used, but it
841 % is allowed and encouraged for Computer Society conferences (but
842 % not Computer Society journals). Most IEEE journals/conferences use
843 % top floats exclusively. 
844 % Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
845 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the
846 % \fnbelowfloat command of the stfloats package.
847
848
849
850
851 \section{Conclusion}
852 The conclusion goes here.
853
854
855
856
857 % conference papers do not normally have an appendix
858
859
860 % use section* for acknowledgment
861 \section*{Acknowledgment}
862
863
864 The authors would like to thank...
865
866
867
868
869
870 % trigger a \newpage just before the given reference
871 % number - used to balance the columns on the last page
872 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
873 % the document is modified later
874 %\IEEEtriggeratref{8}
875 % The "triggered" command can be changed if desired:
876 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
877
878 % references section
879
880 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
881 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
882 % http://mirror.ctan.org/biblio/bibtex/contrib/doc/
883 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
884 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
885 %\bibliographystyle{IEEEtran}
886 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
887 %\bibliography{IEEEabrv,../bib/paper}
888 %
889 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
890 % set second argument of \begin to the number of references
891 % (used to reserve space for the reference number labels box)
892 \begin{thebibliography}{1}
893
894 \bibitem{IEEEhowto:kopka}
895 H.~Kopka and P.~W. Daly, \emph{A Guide to \LaTeX}, 3rd~ed.\hskip 1em plus
896   0.5em minus 0.4em\relax Harlow, England: Addison-Wesley, 1999.
897
898 \end{thebibliography}
899
900
901
902
903 % that's all folks
904 \end{document}
905
906