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8 %T\kern-.1667em\lower.7ex\hbox{E}\kern-.125emX}}
9
10 \def\volumeyear{2015}
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25 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
26 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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48
49 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
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51
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54
55 \newcommand{\TOLG}{\mathit{tol_{gmres}}}
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61
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69
70
71
72 \begin{document}
73 \RCE{Titre a confirmer.}
74 \title{Comparative performance analysis of simulated grid-enabled numerical iterative algorithms}
75 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
76
77 \author{    Charles Emile Ramamonjisoa and
78     David Laiymani and
79     Arnaud Giersch and
80     Lilia Ziane Khodja and
81     Raphaël Couturier
82 }
83
84 \address{
85         \centering    
86     Femto-ST Institute - DISC Department\\
87     Université de Franche-Comté\\
88     Belfort\\
89     Email: \email{{raphael.couturier,arnaud.giersch,david.laiymani,charles.ramamonjisoa}@univ-fcomte.fr}
90 }
91
92 %% Lilia Ziane Khodja: Department of Aerospace \& Mechanical Engineering\\ Non Linear Computational Mechanics\\ University of Liege\\ Liege, Belgium. Email: l.zianekhodja@ulg.ac.be
93
94 \begin{abstract}
95   The behavior of multicore applications is always a challenge to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation tool which allows us to change many parameters of the architecture (network bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such applications. We have decided to use SimGrid as it enables to benchmark MPI applications.
96
97 In this paper, we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
98 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
99 These algorithms  are used to  solve libear  systems. Two different  variantsof the Multisplitting are
100 studied: one  using synchronoous  iterations and  another one  with asynchronous
101 iterations. For each algorithm we have  tested different parameters to see their
102 influence.  We strongly  recommend people  interested  by investing  into a  new
103 expensive  hardware  architecture  to   benchmark  their  applications  using  a
104 simulation tool before.
105
106   
107
108   
109 \end{abstract}
110
111 \keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid; performance}
112
113 \maketitle
114
115 \section{Introduction} 
116 The use of multi-core architectures for solving large scientific problems seems to  become imperative  in  a  lot  of  cases. 
117 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational grids, embedded multi-core \ldots) they  are generally 
118 well adapted to execute complexe parallel applications operating on a large amount of data.  Unfortunately,  users (industrials or scientists), 
119 who need such computational resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost of using the platform and/or the cost of 
120 testing and deploying an application are often very important.  So, in this context it is difficult to optimize a given application for a given 
121 architecture. In this way and in order to reduce the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a simulation environment. 
122 The advantages are numerous: development life cycle, code debugging, ability to obtain results quickly \ldots at the condition that the simulation results are in education with the real ones.
123
124 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called \emph{iterative algorithms}. The
125 parallel scheme of iterative methods is quite simple. It generally involves the division of the problem
126 into  several  \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple
127 processing units.  Each processing unit has to
128 compute an iteration, to send/receive some data dependencies to/from
129 its neighbors and to iterate this process until the convergence of
130 the method. Several well-known methods demonstrate the convergence of these algorithms~\cite{BT89,Bahi07}.
131 In this processing mode a task cannot begin a new iteration while it
132 has not received data dependencies from its neighbors. We say that the iteration computation follows a synchronous scheme.
133 In the asynchronous scheme a task can compute a new iteration without having to
134 wait for the data dependencies coming from its neighbors. Both
135 communication and computations are asynchronous inducing that there is
136 no more idle times, due to synchronizations, between two
137 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks that we detail in section 2 but even if the number of iterations required to converge is 
138 generally  greater  than for the synchronous  case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly  reduce  overall execution
139 times by  suppressing idle  times due to  synchronizations~(see \cite{Bahi07} for more details).
140
141 Nevertheless, in both cases (synchronous or asynchronous) it is very time consuming to find optimal configuration and deployment requirements 
142 for a given application on a given multi-core architecture. Finding good resource allocations policies under varying CPU power, network speeds and 
143 loads is very challenging and labor intensive.~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.   This problematic is even more difficult for the asynchronous scheme 
144 where variations of the parameters of the execution platform can lead to very different number of iterations required to converge and so to very different execution times.
145 In this challenging context we think that the use of a simulation tool can greatly leverage the possibility of testing various platform scenarios.
146
147 The main contribution of this paper is to show that the use of a simulation tool (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real 
148 parallel applications (i.e. large linear system solver) can help developers to better tune their application for a given multi-core architecture.
149 To show the validity of this approach we first compare the simulated execution of the multisplitting algorithm  with  the  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual) solver
150 \cite{ref1} in synchronous mode. The obtained results on different simulated multi-core architectures confirm the real results previously obtained on non simulated architectures. 
151 We also confirm  the efficiency  of the  asynchronous  multisplitting algorithm  comparing to the synchronous  GMRES. In this way and with a simple computing architecture (a laptop) 
152 SimGrid allows us to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on  different simulated multi-core architectures. 
153 To our knowledge, there is no related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and asynchronous iterative application.  
154
155 This paper is organized as follows. Section 1 \ref{sec:synchro} presents the iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme. 
156 In section \ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented. Section \ref{sec:04} details the different solvers that we use. 
157 Finally our experimental results are presented in section \ref{\sec:expe} followed by some concluding remarks and perspectives.
158
159
160 \section{The asynchronous iteration model}
161 \label{sec:asynchro}
162
163 \section{SimGrid}
164  \label{sec:simgrid}
165  
166 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
167 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
168
169 \section{Two-stage multisplitting methods}
170 \label{sec:04}
171 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
172 \label{sec:04.01}
173 In this paper we focus on two-stage multisplitting methods in their both versions synchronous and asynchronous~\cite{Frommer92,Szyld92,Bru95}. These iterative methods are based on multisplitting methods~\cite{O'leary85,White86,Alefeld97} and use two nested iterations: the outer iteration and the inner iteration. Let us consider the following sparse linear system of $n$ equations in $\mathbb{R}$
174 \begin{equation}
175 Ax=b,
176 \label{eq:01}
177 \end{equation}
178 where $A$ is a sparse square and nonsingular matrix, $b$ is the right-hand side and $x$ is the solution of the system. Our work in this paper is restricted to the block Jacobi splitting method. This approach of multisplitting consists in partitioning the matrix $A$ into $L$ horizontal band matrices of order $\frac{n}{L}\times n$ without overlapping (i.e. sub-vectors $\{x_\ell\}_{1\leq\ell\leq L}$ are disjoint). The two-stage multisplitting methods solve the linear system~(\ref{eq:01}) iteratively as follows
179 \begin{equation}
180 x_\ell^{k+1} = A_{\ell\ell}^{-1}(b_\ell - \displaystyle\sum^{L}_{\substack{m=1\\m\neq\ell}}{A_{\ell m}x^k_m}),\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L\mbox{~and~}k=1,2,3,\ldots
181 \label{eq:02}
182 \end{equation}
183 where $x_\ell$ are sub-vectors of the solution $x$, $b_\ell$ are the sub-vectors of the right-hand side $b$, and $A_{\ell\ell}$ and $A_{\ell m}$ are diagonal and off-diagonal blocks of matrix $A$ respectively. The iterations of these methods can naturally be computed in parallel such that each processor or cluster of processors is responsible for solving one splitting as a linear sub-system 
184 \begin{equation}
185 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
186 \label{eq:03}
187 \end{equation}
188 where right-hand sides $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m$ are computed using the shared vectors $x_m$. In this paper, we use the well-known iterative method GMRES ({\it Generalized Minimal RESidual})~\cite{saad86} as an inner iteration to approximate the solutions of the different splittings arising from the block Jacobi multisplitting of matrix $A$. The algorithm in Figure~\ref{alg:01} shows the main key points of our block Jacobi two-stage method executed by a cluster of processors. In line~\ref{solve}, the linear sub-system~(\ref{eq:03}) is solved in parallel using GMRES method where $\MIG$ and $\TOLG$ are the maximum number of inner iterations and the tolerance threshold for GMRES respectively. The convergence of the two-stage multisplitting methods, based on synchronous or asynchronous iterations, is studied by many authors for example~\cite{Bru95,bahi07}. 
189
190 \begin{figure}[t]
191 %\begin{algorithm}[t]
192 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
193 \begin{algorithmic}[1]
194   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
195   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
196   \State Set the initial guess $x^0$
197   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
198     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
199     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
200     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
201     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
202   \EndFor
203 \end{algorithmic}
204 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
205 \label{alg:01}
206 %\end{algorithm} 
207 \end{figure}
208
209 In this paper, we propose two algorithms of two-stage multisplitting methods. The first algorithm is based on asynchronous model which allows the communications to be overlapped by computations and reduces the idle times resulting from the synchronizations. So in the asynchronous mode, our two-stage algorithm uses asynchronous outer iterations and asynchronous communications between clusters. The communications (i.e. lines~\ref{send} and~\ref{recv} in Figure~\ref{alg:01}) are performed by message passing using MPI non-blocking communication routines. The convergence of the asynchronous iterations is detected when all clusters have locally converged
210 \begin{equation}
211 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
212 \label{eq:04}
213 \end{equation}    
214 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm. 
215
216 The second two-stage algorithm is based on synchronous outer iterations. We propose to use the Krylov iteration based on residual minimization to improve the slow convergence of the multisplitting methods. In this case, a $n\times s$ matrix $S$ is set using solutions issued from the inner iteration 
217 \begin{equation}
218 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
219 \label{eq:05}
220 \end{equation}   
221 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual
222 \begin{equation}
223 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
224 \label{eq:06}
225 \end{equation} 
226 The algorithm in Figure~\ref{alg:02} includes the procedure of the residual minimization and the outer iteration is restarted with a new approximation $\tilde{x}$ at every $s$ iterations. The least-squares problem~(\ref{eq:06}) is solved in parallel by all clusters using CGLS method~\cite{Hestenes52} such that $\MIC$ is the maximum number of iterations and $\TOLC$ is the tolerance threshold for this method (line~\ref{cgls} in Figure~\ref{alg:02}).
227  
228 \begin{figure}[t]
229 %\begin{algorithm}[t]
230 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
231 \begin{algorithmic}[1]
232   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
233   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
234   \State Set the initial guess $x^0$
235   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
236     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
237     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
238     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
239     \If{$k\mod s = 0$}
240        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
241        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
242        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
243        \Else 
244          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
245     \EndIf
246     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
247   \EndFor
248 \end{algorithmic}
249 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
250 \label{alg:02}
251 %\end{algorithm} 
252 \end{figure}
253
254 \subsection{Simulation of two-stage methods using SimGrid framework}
255 \label{sec:04.02}
256
257 One of our objectives when simulating the application in SIMGRID is, as in real life, to get accurate results (solutions of the problem) but also ensure the test reproducibility under the same conditions. According our experience, very few modifications are required to adapt a MPI program to run in SIMGRID simulator using SMPI (Simulator MPI).The first modification is to include SMPI libraries and related header files (smpi.h). The second and important modification is to eliminate all global variables in moving them to local subroutine or using a Simgrid selector called "runtime automatic switching" (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global variables can generate side effects on runtime between the threads running in the same process, generated by the Simgrid to simulate the grid environment.The last modification on the MPI program pointed out for some cases, the review of the sequence of the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and MPI\_Waitall instructions which might cause an infinite loop.     
258
259
260 \paragraph{SIMGRID Simulator parameters}
261
262 \begin{itemize}
263         \item hostfile: Hosts description file.
264         \item plarform: File describing the platform architecture : clusters (CPU power,
265 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
266 latency lat, \dots{}).
267         \item archi   : Grid computational description (Number of clusters, Number of 
268 nodes/processors for each cluster). 
269 \end{itemize}
270
271
272 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
273
274 \begin{itemize}
275         \item Maximum number of inner and outer iterations;
276         \item Inner and outer precisions;
277         \item Matrix size (N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$);
278         \item Matrix diagonal value = 6.0;
279         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
280 \end{itemize}
281
282 At last, note that the two solver algorithms have been executed with the Simgrid selector -cfg=smpi/running\_power which determine the computational power (here 19GFlops) of the simulator host machine.  
283
284 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
285 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
286
287 \section{Experimental Results}
288 \label{sec:expe}
289
290
291 \subsection{Setup study and Methodology}
292
293 To conduct our study, we have put in place the following methodology 
294 which can be reused for any grid-enabled applications.
295
296 \textbf{Step 1} : Choose with the end users the class of algorithms or 
297 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms 
298 have been chosen for the study in this paper. \\
299
300 \textbf{Step 2} : Collect the software materials needed for the 
301 experimentation. In our case, we have two variants algorithms for the 
302 resolution of three 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES (Algo-1)(2) and the multisplitting method (Algo-2). In addition, SIMGRID simulator has been chosen to simulate the behaviors of the 
303 distributed applications. SIMGRID is running on the Mesocentre datacenter in Franche-Comte University but also in a virtual machine on a laptop. \\
304
305 \textbf{Step 3} : Fix the criteria which will be used for the future 
306 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain 
307 in one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous) 
308 and in the other hand the execution time and the number of iterations of 
309 the application before obtaining the convergence. \\
310
311 \textbf{Step 4 }: Setup up the different grid testbeds environment 
312 which will be simulated in the simulator tool to run the program. The 
313 following architecture has been configured in Simgrid : 2x16 - that is a 
314 grid containing 2 clusters with 16 hosts (processors/cores) each -, 4x8, 
315 4x16, 8x8 and 2x50. The network has been designed to operate with a 
316 bandwidth equals to 10Gbits (resp. 1Gbits/s) and a latency of 8E-6 
317 microseconds (resp. 5E-5) for the intra-clusters links (resp. 
318 inter-clusters backbone links). \\
319
320 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings 
321 within these configurations in varying the key parameters, especially 
322 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the 
323 input matrix. Note that some parameters should be fixed to be invariant to allow the 
324 comparison like some program input arguments. \\
325
326 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
327
328 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in 
329 a grid environment}
330
331 From our previous experience on running distributed application in a 
332 computational grid, many factors are identified to have an impact on the 
333 program behavior and performance on this specific environment. Mainly, 
334 first of all, the architecture of the grid itself can obviously 
335 influence the performance results of the program. The performance gain 
336 might be important theoretically when the number of clusters and/or the 
337 number of nodes (processors/cores) in each individual cluster increase. 
338
339 Another important factor impacting the overall performance of the 
340 application is the network configuration. Two main network parameters 
341 can modify drastically the program output results : (i) the network 
342 bandwidth (bw=bits/s) also known as "the data-carrying capacity" 
343 of the network is defined as the maximum of data that can pass 
344 from one point to another in a unit of time. (ii) the network latency 
345 (lat : microsecond) defined as the delay from the start time to send the 
346 data from a source and the final time the destination have finished to 
347 receive it. Upon the network characteristics, another impacting factor 
348 is the application dependent volume of data exchanged between the nodes 
349 in the cluster and between distant clusters. Large volume of data can be 
350 transferred in transit between the clusters and nodes during the code 
351 execution. 
352
353  In a grid environment, it is common to distinguish in one hand, the 
354 "\,intra-network" which refers to the links between nodes within a 
355 cluster and in the other hand, the "\,inter-network" which is the 
356 backbone link between clusters. By design, these two networks perform 
357 with different speed. The intra-network generally works like a high 
358 speed local network with a high bandwith and very low latency. In 
359 opposite, the inter-network connects clusters sometime via heterogeneous 
360 networks components thru internet with a lower speed. The network 
361 between distant clusters might be a bottleneck for the global 
362 performance of the application. 
363
364 \subsection{Comparing GMRES and Multisplitting algorithms in 
365 synchronous mode}
366
367 In the scope of this paper, our first objective is to demonstrate the 
368 Algo-2 (Multisplitting method) shows a better performance in grid 
369 architecture compared with Algo-1 (Classical GMRES) both running in 
370 \textbf{\textit{synchronous mode}}. Better algorithm performance 
371 should means a less number of iterations output and a less execution time 
372 before reaching the convergence. For a systematic study, the experiments 
373 should figure out that, for various grid parameters values, the 
374 simulator will confirm the targeted outcomes, particularly for poor and 
375 slow networks, focusing on the impact on the communication performance 
376 on the chosen class of algorithm.
377
378 The following paragraphs present the test conditions, the output results 
379 and our comments.\\
380
381
382 \textit{3.a Executing the algorithms on various computational grid 
383 architecture scaling up the input matrix size}
384 \\
385
386 % environment
387 \begin{footnotesize}
388 \begin{tabular}{r c }
389  \hline  
390  Grid & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
391  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
392  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
393  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
394  \end{tabular}
395 Table 1 : Clusters x Nodes with N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \\
396
397 \end{footnotesize}
398
399
400  
401 %\RCE{J'ai voulu mettre les tableaux des données mais je pense que c'est inutile et ça va surcharger}
402
403
404 The results in figure 3 show the non-variation of the number of 
405 iterations of classical GMRES for a given input matrix size; it is not 
406 the case for the multisplitting method. 
407
408 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
409 \begin{figure} [ht!]
410 \centering
411 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
412 \caption{Cluster x Nodes N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170} 
413 %\label{overflow}}
414 \end{figure}
415 %\end{wrapfigure}
416
417 Unless the 8x8 cluster, the time 
418 execution difference between the two algorithms is important when 
419 comparing between different grid architectures, even with the same number of 
420 processors (like 2x16 and 4x8 = 32 processors for example). The 
421 experiment concludes the low sensitivity of the multisplitting method 
422 (compared with the classical GMRES) when scaling up to higher input 
423 matrix size. 
424
425 \textit{\\3.b Running on various computational grid architecture\\}
426
427 % environment
428 \begin{footnotesize}
429 \begin{tabular}{r c }
430  \hline  
431  Grid & 2x16, 4x8\\ %\hline
432  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
433  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
434  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
435  \end{tabular}
436 Table 2 : Clusters x Nodes - Networks N1 x N2 \\
437
438  \end{footnotesize}
439
440
441
442 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
443 \begin{figure} [ht!]
444 \centering
445 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
446 \caption{Cluster x Nodes N1 x N2}
447 %\label{overflow}}
448 \end{figure}
449 %\end{wrapfigure}
450
451 The experiments compare the behavior of the algorithms running first on 
452 a speed inter- cluster network (N1) and a less performant network (N2). 
453 Figure 4 shows that end users will gain to reduce the execution time 
454 for both algorithms in using a grid architecture like 4x16 or 8x8: the 
455 performance was increased in a factor of 2. The results depict also that 
456 when the network speed drops down, the difference between the execution 
457 times can reach more than 25\%. 
458
459 \textit{\\3.c Network latency impacts on performance\\}
460
461 % environment
462 \begin{footnotesize}
463 \begin{tabular}{r c }
464  \hline  
465  Grid & 2x16\\ %\hline
466  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
467  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline\\
468  \end{tabular}
469 Table 3 : Network latency impact \\
470
471 \end{footnotesize}
472
473
474
475 \begin{figure} [ht!]
476 \centering
477 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
478 \caption{Network latency impact on execution time}
479 %\label{overflow}}
480 \end{figure}
481
482
483 According the results in figure 5, degradation of the network 
484 latency from 8.10$^{-6}$ to 6.10$^{-5}$ implies an absolute time 
485 increase more than 75\% (resp. 82\%) of the execution for the classical 
486 GMRES (resp. multisplitting) algorithm. In addition, it appears that the 
487 multisplitting method tolerates more the network latency variation with 
488 a less rate increase of the execution time. Consequently, in the worst case (lat=6.10$^{-5
489 }$), the execution time for GMRES is almost the double of the time for 
490 the multisplitting, even though, the performance was on the same order 
491 of magnitude with a latency of 8.10$^{-6}$. 
492
493 \textit{\\3.d Network bandwidth impacts on performance\\}
494
495 % environment
496 \begin{footnotesize}
497 \begin{tabular}{r c }
498  \hline  
499  Grid & 2x16\\ %\hline
500  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
501  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
502  \end{tabular}
503 Table 4 : Network bandwidth impact \\
504
505 \end{footnotesize}
506
507
508 \begin{figure} [ht!]
509 \centering
510 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
511 \caption{Network bandwith impact on execution time}
512 %\label{overflow}
513 \end{figure}
514
515
516
517 The results of increasing the network bandwidth depict the improvement 
518 of the performance by reducing the execution time for both of the two 
519 algorithms (Figure 6). However, and again in this case, the multisplitting method 
520 presents a better performance in the considered bandwidth interval with 
521 a gain of 40\% which is only around 24\% for classical GMRES.
522
523 \textit{\\3.e Input matrix size impacts on performance\\}
524
525 % environment
526 \begin{footnotesize}
527 \begin{tabular}{r c }
528  \hline  
529  Grid & 4x8\\ %\hline
530  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
531  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline \\
532  \end{tabular}
533 Table 5 : Input matrix size impact\\
534
535 \end{footnotesize}
536
537
538 \begin{figure} [ht!]
539 \centering
540 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
541 \caption{Pb size impact on execution time}
542 %\label{overflow}}
543 \end{figure}
544
545 In this experimentation, the input matrix size has been set from 
546 N$_{x}$ = N$_{y}$ = N$_{z}$ = 40 to 200 side elements that is from 40$^{3}$ = 64.000 to 
547 200$^{3}$ = 8.000.000 points. Obviously, as shown in the figure 7, 
548 the execution time for the two algorithms convergence increases with the 
549 input matrix size. But the interesting results here direct on (i) the 
550 drastic increase (300 times) of the number of iterations needed before 
551 the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size 
552 go beyond N$_{x}$=150; (ii) the classical GMRES execution time also almost 
553 the double from N$_{x}$=140 compared with the convergence time of the 
554 multisplitting method. These findings may help a lot end users to setup 
555 the best and the optimal targeted environment for the application 
556 deployment when focusing on the problem size scale up. Note that the 
557 same test has been done with the grid 2x16 getting the same conclusion.
558
559 \textit{\\3.f CPU Power impact on performance\\}
560
561 % environment
562 \begin{footnotesize}
563 \begin{tabular}{r c }
564  \hline  
565  Grid & 2x16\\ %\hline
566  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5E-05 \\ %\hline
567  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
568  \end{tabular}
569 Table 6 : CPU Power impact \\
570
571 \end{footnotesize}
572
573
574 \begin{figure} [ht!]
575 \centering
576 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
577 \caption{CPU Power impact on execution time}
578 %\label{overflow}}
579 \end{figure}
580
581 Using the SIMGRID simulator flexibility, we have tried to determine the 
582 impact on the algorithms performance in varying the CPU power of the 
583 clusters nodes from 1 to 19 GFlops. The outputs depicted in the figure 6 
584 confirm the performance gain, around 95\% for both of the two methods, 
585 after adding more powerful CPU. Note that the execution time axis in the 
586 figure is in logarithmic scale.
587
588 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and 
589 Multisplitting algorithms in asynchronous mode}
590
591 The previous paragraphs put in evidence the interests to simulate the 
592 behavior of the application before any deployment in a real environment. 
593 We have focused the study on analyzing the performance in varying the 
594 key factors impacting the results. In the same line, the study compares 
595 the performance of the two proposed methods in \textbf{synchronous mode
596 }. In this section, with the same previous methodology, the goal is to 
597 demonstrate the efficiency of the multisplitting method in \textbf{
598 asynchronous mode} compare with the classical GMRES staying in the 
599 synchronous mode.
600
601 Note that the interest of using the asynchronous mode for data exchange 
602 is mainly, in opposite of the synchronous mode, the non-wait aspects of 
603 the current computation after a communication operation like sending 
604 some data between nodes. Each processor can continue their local 
605 calculation without waiting for the end of the communication. Thus, the 
606 asynchronous may theoretically reduce the overall execution time and can 
607 improve the algorithm performance.
608
609 As stated supra, SIMGRID simulator tool has been used to prove the 
610 efficiency of the multisplitting in asynchronous mode and to find the 
611 best combination of the grid resources (CPU, Network, input matrix size, 
612 \ldots ) to get the highest "\,relative gain" in comparison with the 
613 classical GMRES time. 
614
615
616 The test conditions are summarized in the table below : \\
617
618 % environment
619 \begin{footnotesize}
620 \begin{tabular}{r c }
621  \hline  
622  Grid & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
623  Processors & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
624    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5E-05 \\ %\hline
625    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2E-02\\
626  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
627  Residual error precision: 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
628  \end{tabular}
629 \end{footnotesize}
630
631 Again, comprehensive and extensive tests have been conducted varying the 
632 CPU power and the network parameters (bandwidth and latency) in the 
633 simulator tool with different problem size. The relative gains greater 
634 than 1 between the two algorithms have been captured after each step of 
635 the test. Table I below has recorded the best grid configurations 
636 allowing a multiplitting method time more than 2.5 times lower than 
637 classical GMRES execution and convergence time. The finding thru this 
638 experimentation is the tolerance of the multisplitting method under a 
639 low speed network that we encounter usually with distant clusters thru the 
640 internet.
641
642 % use the same column width for the following three tables
643 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
644 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
645   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
646   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
647                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
648     \end{tabular}}
649
650 \begin{table}[!t]
651   \centering
652   \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with 
653 the classical GMRES}
654   \label{"Table 7"}
655
656   \begin{mytable}{6}
657     \hline
658     bandwidth (Mbit/s)
659     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5 \\
660     \hline
661     latency (ms)
662     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
663     \hline
664     power (GFlops)
665     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
666     \hline
667     size (N)
668     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100 \\
669     \hline
670     Precision
671     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} \\
672     \hline
673     Relative gain
674     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 \\
675     \hline
676   \end{mytable}
677
678   \smallskip
679
680   \begin{mytable}{6}
681     \hline
682     bandwidth (Mbit/s)
683     & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
684     \hline
685     latency (ms)
686     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
687     \hline
688     power (GFlops)
689     & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
690     \hline
691     size (N)
692     & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
693     \hline
694     Precision
695     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11}\\
696     \hline
697     Relative gain
698     & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
699     \hline
700   \end{mytable}
701 \end{table}
702
703 \section{Conclusion}
704 CONCLUSION
705
706
707 \section*{Acknowledgment}
708
709
710 The authors would like to thank\dots{}
711
712
713 \bibliographystyle{wileyj}
714 \bibliography{biblio}
715
716 \end{document}
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