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Private GIT Repository
DL : modifs suivanr remarques Lilia
[rce2015.git] / paper.tex
1 \documentclass[times]{cpeauth}
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8 %T\kern-.1667em\lower.7ex\hbox{E}\kern-.125emX}}
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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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51 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
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53
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56
57 \newcommand{\TOLG}{\mathit{tol_{gmres}}}
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63
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71
72
73
74 \begin{document} \RCE{Titre a confirmer.} \title{Comparative performance
75 analysis of simulated grid-enabled numerical iterative algorithms}
76 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
77
78 \author{    Charles Emile Ramamonjisoa and
79     David Laiymani and
80     Arnaud Giersch and
81     Lilia Ziane Khodja and
82     Raphaël Couturier
83 }
84
85 \address{
86         \centering
87     Femto-ST Institute - DISC Department\\
88     Université de Franche-Comté\\
89     Belfort\\
90     Email: \email{{raphael.couturier,arnaud.giersch,david.laiymani,charles.ramamonjisoa}@univ-fcomte.fr}
91 }
92
93 %% Lilia Ziane Khodja: Department of Aerospace \& Mechanical Engineering\\ Non Linear Computational Mechanics\\ University of Liege\\ Liege, Belgium. Email: l.zianekhodja@ulg.ac.be
94
95 \begin{abstract}   The behavior of multi-core applications is always a challenge
96 to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been
97 performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build
98 accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation
99 tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
100 bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
101 applications. The main contribution of this paper is to show that the use of a
102 simulation tool (here we have decided to use the SimGrid toolkit) can really
103 help developpers to better tune their applications for a given multi-core
104 architecture.
105
106 In particular we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
107 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
108 These algorithms  are used to  solve linear  systems. Two different  variants of
109 the Multisplitting are studied: one  using synchronoous  iterations and  another
110 one  with asynchronous iterations. For each algorithm we have simulated
111 different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
112 execution time.  The obtain simulated results confirm the real results
113 previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm
114 the efficiency of the asynchronous multisplitting algorithm compared to the
115 synchronous GMRES method.
116
117 \end{abstract}
118
119 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
120 %performance}
121 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
122
123 \maketitle
124
125 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
126 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
127 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
128 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
129 complex parallel applications operating on a large amount of data.
130 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
131 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
132 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
133 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
134 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
135 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
136 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
137 code debugging, ability to obtain results quickly~\ldots. In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
138
139 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
140 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
141 simple. It generally involves the division of the problem into  several
142 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
143 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
144 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
145 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
146 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
147 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
148 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a
149 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
150 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
151 neighbors. Both communication and computations are \textit{asynchronous}
152 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
153 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
154 that we detail in section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of
155 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
156 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
157 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
158 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
159
160 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
161 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
162 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
163 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
164 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
165 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
166 parameter variation of the execution platform and of the application data can
167 lead to very different numbers of iterations to reach the converge and so to
168 very different execution times. In this challenging context we think that the
169 use of a simulation tool can greatly leverage the possibility of testing various
170 platform scenarios.
171
172 The main contribution of this paper is to show that the use of a simulation tool
173 (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real  parallel
174 applications (i.e. large linear system solvers) can help developers to better
175 tune their application for a given multi-core architecture. To show the validity
176 of this approach we first compare the simulated execution of the multisplitting
177 algorithm  with  the  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual)
178 solver~\cite{saad86} in synchronous mode. The simulation results allow us to
179 determine which method to choose given a specified multi-core architecture.
180
181 \LZK{Pas trop convainquant comme argument pour valider l'approche de simulation. \\On peut dire par exemple: on a pu simuler différents algos itératifs à large échelle (le plus connu GMRES et deux variantes de multisplitting) et la simulation nous a permis (sans avoir le vrai matériel) de déterminer quelle serait la meilleure solution pour une telle configuration de l'archi ou vice versa.\\A revoir...}
182 \DL{OK : ajout d'une phrase précisant tout cela}
183
184 Moreover the obtained results on different simulated multi-core architectures
185 confirm the real results previously obtained on non simulated architectures.
186 More precisely the simulated results are in accordance (i.e. with the same order
187 of magnitude) with the works presented in [], which show that the multisplitting
188 method is more efficient than GMRES for large scale clusters.
189
190 \LZK{Il n y a pas dans la partie expé cette comparaison et confirmation des résultats entre la simulation et l'exécution réelle des algos sur les vrais clusters.\\ Sinon on pourrait ajouter dans la partie expé une référence vers le journal supercomput de krylov multi pour confirmer que cette méthode est meilleure que GMRES sur les clusters large échelle.}
191 \DL{OK ajout d'une phrase. Par contre je n'ai pas la ref. Merci de la mettre}
192
193 We also confirm  the efficiency  of the
194 asynchronous  multisplitting algorithm compared to the synchronous  GMRES.
195
196 \LZK{P.S.: Pour tout le papier, le principal objectif n'est pas de faire des comparaisons entre des méthodes itératives!!\\Sinon, les deux algorithmes Krylov multisplitting synchrone et multisplitting asynchrone sont plus efficaces que GMRES sur des clusters à large échelle.\\Et préciser, si c'est vraiment le cas, que le multisplitting asynchrone est plus efficace et adapté aux clusters distants par rapport aux deux autres algos (je n'ai pas encore lu la partie expé)}
197
198 In
199 this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
200 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
201 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
202 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
203 asynchronous iterative application.
204
205 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
206 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
207 section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
208 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
209 experimental results are presented in section~\ref{sec:expe} followed by some
210 concluding remarks and perspectives.
211
212 \LZK{Proposition d'un titre pour le papier: Grid-enabled simulation of large-scale linear iterative solvers.}
213
214
215 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
216 \label{sec:asynchro}
217
218 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoritecally and
219 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
220 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
221 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
222 asynchronous iterations  methods can be used  to solve, for example,  linear and
223 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
224 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
225
226 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
227 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
228 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
229 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
230 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
231 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
232 one, they are not.  It should be noticed that non blocking communications can be
233 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
234 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
235 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
236 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
237 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
238
239 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
240 for the asynchronous scheme (this number depends depends on  the delay of the
241 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
242 number of iterations is the same than in the sequential mode. In this way, the
243 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
244 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency \ldots) and  of  the
245 application can drastically change the number of iterations required to get the
246 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
247 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
248 architecture are often very important. So, prior to delpoyment and tests it
249 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
250 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produce
251 by simulation are in accordance with reality i.e. of the same order of
252 magnitude. To our knowledge, there is no study on this problematic.
253
254 \section{SimGrid}
255 \label{sec:simgrid}
256 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile} is a discrete event simulation framework to study the behavior of large-scale distributed computing platforms as Grids, Peer-to-Peer systems, Clouds and High Performance Computation systems. It is widely used to simulate and evaluate heuristics, prototype applications or even assess legacy MPI applications. It is still actively developed by the scientific community and distributed as an open source software.
257
258 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
259 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
260
261 \section{Two-stage multisplitting methods}
262 \label{sec:04}
263 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
264 \label{sec:04.01}
265 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 $\mathbb{R}$:
266 \begin{equation}
267 Ax=b,
268 \label{eq:01}
269 \end{equation}
270 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). Two-stage multisplitting methods solve the linear system~(\ref{eq:01}) iteratively as follows:
271 \begin{equation}
272 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
273 \label{eq:02}
274 \end{equation}
275 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:
276 \begin{equation}
277 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
278 \label{eq:03}
279 \end{equation}
280 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, has been studied by many authors for example~\cite{Bru95,bahi07}.
281
282 \begin{figure}[t]
283 %\begin{algorithm}[t]
284 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
285 \begin{algorithmic}[1]
286   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
287   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
288   \State Set the initial guess $x^0$
289   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
290     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
291     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
292     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
293     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
294   \EndFor
295 \end{algorithmic}
296 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
297 \label{alg:01}
298 %\end{algorithm}
299 \end{figure}
300
301 In this paper, we propose two algorithms of two-stage multisplitting methods. The first algorithm is based on the asynchronous model which allows 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:
302 \begin{equation}
303 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
304 \label{eq:04}
305 \end{equation}
306 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
307
308 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:
309 \begin{equation}
310 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
311 \label{eq:05}
312 \end{equation}
313 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
314 \begin{equation}
315 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
316 \label{eq:06}
317 \end{equation}
318 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}).
319
320 \begin{figure}[t]
321 %\begin{algorithm}[t]
322 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
323 \begin{algorithmic}[1]
324   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
325   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
326   \State Set the initial guess $x^0$
327   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
328     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
329     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
330     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
331     \If{$k\mod s = 0$}
332        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
333        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
334        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
335        \Else
336          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
337     \EndIf
338     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
339   \EndFor
340 \end{algorithmic}
341 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
342 \label{alg:02}
343 %\end{algorithm}
344 \end{figure}
345
346 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
347 \label{sec:04.02}
348
349 One of our objectives when simulating the  application in Simgrid is, as in real
350 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
351 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
352 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the Simgrid
353 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
354 libraries  and related  header files  (smpi.h).  The  second modification  is to
355 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
356 Simgrid      selector       called      "runtime       automatic      switching"
357 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
358 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
359 Simgrid  to simulate the  grid environment.
360
361 %\RC{On vire cette  phrase ?} \RCE {Si c'est la phrase d'avant sur les threads, je pense qu'on peut la retenir car c'est l'explication du pourquoi Simgrid n'aime pas les variables globales. Si c'est pas bien dit, on peut la reformuler. Si c'est la phrase ci-apres, effectivement, on peut la virer si elle preterais a discussion}The
362 %last modification on the  MPI program pointed out for some  cases, the review of
363 %the sequence of  the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and  MPI\_Waitall instructions which
364 %might cause an infinite loop.
365
366
367 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
368 \  \\ \noindent  Before running  a Simgrid  benchmark, many  parameters for  the
369 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
370 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
371 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
372
373 \begin{itemize}
374         \item hostfile: hosts description file.
375         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
376 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
377 latency lat, \dots{}).
378         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
379 nodes/processors for each cluster).
380 \end{itemize}
381 \noindent
382 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
383
384 \begin{itemize}
385         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
386         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
387         \item matrix sizes of the 3D Poisson problem: N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$ on axis $x$, $y$ and $z$ respectively,
388         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous Krylov multisplitting experiments and $6.2$ for asynchronous block Jacobi experiments,
389         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
390         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
391         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
392         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
393         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
394         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
395 \end{itemize}
396
397 It should also be noticed that both solvers have been executed with the Simgrid selector \texttt{-cfg=smpi/running\_power} which determines the computational power (here 19GFlops) of the simulator host machine.
398
399 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
400 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
401
402 \section{Experimental Results}
403 \label{sec:expe}
404
405 In this section, experiments for both Multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
406
407 \subsection{The 3D Poisson problem}
408
409
410 We use our two-stage algorithms to solve the well-known Poisson problem $\nabla^2\phi=f$~\cite{Polyanin01}. In three-dimensional Cartesian coordinates in $\mathbb{R}^3$, the problem takes the following form:
411 \begin{equation}
412 \frac{\partial^2}{\partial x^2}\phi(x,y,z)+\frac{\partial^2}{\partial y^2}\phi(x,y,z)+\frac{\partial^2}{\partial z^2}\phi(x,y,z)=f(x,y,z)\mbox{~in the domain~}\Omega
413 \label{eq:07}
414 \end{equation}
415 such that:
416 \begin{equation*}
417 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
418 \end{equation*}
419 where the real-valued function $\phi(x,y,z)$ is the solution sought, $f(x,y,z)$ is a known function and $\Omega=[0,1]^3$. The 3D discretization of the Laplace operator $\nabla^2$ with the finite difference scheme includes 7 points stencil on the computational grid. The numerical approximation of the Poisson problem on three-dimensional grid is repeatedly computed as $\phi=\phi^\star$ such that:
420 \begin{equation}
421 \begin{array}{ll}
422 \phi^\star(x,y,z)=&\frac{1}{6}(\phi(x-h,y,z)+\phi(x,y-h,z)+\phi(x,y,z-h)\\&+\phi(x+h,y,z)+\phi(x,y+h,z)+\phi(x,y,z+h)\\&-h^2f(x,y,z))
423 \end{array}
424 \label{eq:08}
425 \end{equation}
426 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
427
428 In the parallel context, the 3D Poisson problem is partitioned into $L\times p$ sub-problems such that $L$ is the number of clusters and $p$ is the number of processors in each cluster. We apply the three-dimensional partitioning instead of the row-by-row one in order to reduce the size of the data shared at the sub-problems boundaries. In this case, each processor is in charge of parallelepipedic block of the problem and has at most six neighbors in the same cluster or in distant clusters with which it shares data at boundaries.
429
430 \subsection{Study setup and simulation methodology}
431
432 First, to conduct our study, we propose the following methodology
433 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
434
435 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
436 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
437 have been chosen for the study in this paper. \\
438
439 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
440 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
441 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the Multisplitting
442 method. In addition, the Simgrid simulator has been chosen to simulate the
443 behaviors of the distributed applications. Simgrid is running in a virtual
444 machine on a simple laptop. \\
445
446 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
447 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
448 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
449 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
450
451 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
452 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architecture
453 has been configured in Simgrid : 2x16, 4x8, 4x16, 8x8 and 2x50. The first number
454 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
455 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network  has been
456 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
457 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
458 (resp.  inter-clusters backbone links). \\
459
460 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
461 within these configurations by varying the key parameters, especially
462 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
463 input data.  \\
464
465 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
466
467 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
468 a grid environment}
469
470 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
471 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
472 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
473 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
474 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
475 increase.
476
477 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
478 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
479 the program output results:
480 \begin{enumerate}
481 \item  the network  bandwidth  (bw=bits/s) also  known  as "the  data-carrying
482     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
483     from one point to another in a unit of time.
484 \item the  network latency  (lat :  microsecond) defined as  the delay  from the
485   start time to send  a simple data from a source to a destination.
486 \end{enumerate}
487 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
488 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
489
490  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
491  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and
492  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
493  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.
494  The intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a
495  high bandwith and very low latency. In opposite, the inter-network connects
496  clusters sometime via  heterogeneous networks components  throuth internet with
497  a lower speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck
498  for  the global performance of the application.
499
500 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov Multisplitting algorithms in synchronous mode}
501
502 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
503 Multisplitting  method   has  better  performance  than   the  classical  GMRES
504 method. With a synchronous  iterative method, better performance means a
505 smaller number of iterations and execution time before reaching the convergence.
506 For a systematic study,  the experiments  should figure  out  that, for  various
507 grid  parameters values, the simulator will confirm  the targeted outcomes,
508 particularly for poor and slow  networks, focusing on the  impact on the
509 communication  performance on the chosen class of algorithm.
510
511 The following paragraphs present the test conditions, the output results
512 and our comments.\\
513
514
515 \subsubsection{Execution of the algorithms on various computational grid
516 architectures and scaling up the input matrix size}
517 \ \\
518 % environment
519
520 \begin{table} [ht!]
521 \begin{center}
522 \begin{tabular}{r c }
523  \hline
524  Grid Architecture & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
525  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
526  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
527  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
528  \end{tabular}
529 \caption{Test conditions: various grid configurations with the input matix size N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \RC{N2 n'est pas défini..}\RC{Nx est défini, Ny? Nz?}}
530 \label{tab:01}
531 \end{center}
532 \end{table}
533
534
535
536
537
538 In this  section, we analyze the  performance of algorithms running  on various
539 grid configurations  (2x16, 4x8, 4x16  and 8x8). First,  the results in  Figure~\ref{fig:01}
540 show for all grid configurations the non-variation of the number of iterations of
541 classical  GMRES for  a given  input matrix  size; it is not  the case  for the
542 multisplitting method.
543
544 \RC{CE attention tu n'as pas mis de label dans tes figures, donc c'est le bordel, j'en mets mais vérifie...}
545 \RC{Les légendes ne sont pas explicites...}
546
547
548 \begin{figure} [ht!]
549   \begin{center}
550     \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
551   \end{center}
552   \caption{Various grid configurations with the input matrix size N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170\RC{idem}}
553   \label{fig:01}
554 \end{figure}
555
556
557 The execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
558 grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2x16
559 and  4x8). We  can  observ  the low  sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
560 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
561 in the  grid: in  average, the GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm performs
562 $40\%$ better (resp. $48\%$) when running from 2x16=32 to 8x8=64 processors. \RC{pas très clair, c'est pas précis de dire qu'un algo perform mieux qu'un autre, selon quel critère?}
563
564 \subsubsection{Running on two different inter-clusters network speeds \\}
565
566 \begin{table} [ht!]
567 \begin{center}
568 \begin{tabular}{r c }
569  \hline
570  Grid Architecture & 2x16, 4x8\\ %\hline
571  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
572  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
573  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
574  \end{tabular}
575 \caption{Test conditions: grid 2x16 and 4x8 with  networks N1 vs N2}
576 \label{tab:02}
577 \end{center}
578 \end{table}
579
580 These experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running first  on a
581 speed inter-cluster  network (N1) and  also on  a less performant  network (N2). \RC{Il faut définir cela avant...}
582 Figure~\ref{fig:02} shows that end users will reduce the execution time
583 for  both  algorithms when using  a  grid  architecture  like  4x16 or  8x8: the reduction is about $2$. The results depict  also that when
584 the  network speed  drops down (variation of 12.5\%), the  difference between  the two Multisplitting algorithms execution times can reach more than 25\%.
585 %\RC{c'est pas clair : la différence entre quoi et quoi?}
586 %\DL{pas clair}
587 %\RCE{Modifie}
588
589
590 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
591 \begin{figure} [ht!]
592 \centering
593 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
594 \caption{Grid 2x16 and 4x8 with networks N1 vs N2}
595 \label{fig:02}
596 \end{figure}
597 %\end{wrapfigure}
598
599
600 \subsubsection{Network latency impacts on performance}
601 \ \\
602 \begin{table} [ht!]
603 \centering
604 \begin{tabular}{r c }
605  \hline
606  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
607  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
608  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
609  \end{tabular}
610 \caption{Test conditions: network latency impacts}
611 \label{tab:03}
612 \end{table}
613
614
615
616 \begin{figure} [ht!]
617 \centering
618 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
619 \caption{Network latency impacts on execution time}
620 \label{fig:03}
621 \end{figure}
622
623
624 According to  the results of  Figure~\ref{fig:03}, a degradation of  the network
625 latency from  $8.10^{-6}$ to  $6.10^{-5}$ implies an  absolute time  increase of
626 more  than $75\%$  (resp.  $82\%$)  of the  execution  for  the classical  GMRES
627 (resp.  Krylov multisplitting)  algorithm.   In addition,  it  appears that  the
628 Krylov multisplitting method tolerates more the network latency variation with a
629 less  rate increase  of  the  execution time.\RC{Les  2  précédentes phrases  me
630   semblent en contradiction....}  Consequently, in the worst case ($lat=6.10^{-5
631 }$), the  execution time for  GMRES is  almost the double  than the time  of the
632 Krylov multisplitting,  even though, the  performance was  on the same  order of
633 magnitude with a latency of $8.10^{-6}$.
634
635 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
636 \ \\
637 \begin{table} [ht!]
638 \centering
639 \begin{tabular}{r c }
640  \hline
641  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
642  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
643  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
644  \end{tabular}
645 \caption{Test conditions: Network bandwidth impacts\RC{Qu'est ce qui varie ici? Il n'y a pas de variation dans le tableau}}
646 \label{tab:04}
647 \end{table}
648
649
650 \begin{figure} [ht!]
651 \centering
652 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
653 \caption{Network bandwith impacts on execution time}
654 \label{fig:04}
655 \end{figure}
656
657 The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
658 performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
659 Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
660 presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
661 of $40\%$ which is only around $24\%$ for the classical GMRES.
662
663 \subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
664 \ \\
665 \begin{table} [ht!]
666 \centering
667 \begin{tabular}{r c }
668  \hline
669  Grid Architecture & 4x8\\ %\hline
670  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\
671  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
672  \end{tabular}
673 \caption{Test conditions: Input matrix size impacts}
674 \label{tab:05}
675 \end{table}
676
677
678 \begin{figure} [ht!]
679 \centering
680 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
681 \caption{Problem size impacts on execution time}
682 \label{fig:05}
683 \end{figure}
684
685 In these experiments, the input matrix size  has been set from $N_{x} = N_{y}
686 = N_{z} = 40$ to $200$ side elements  that is from $40^{3} = 64.000$ to $200^{3}
687 = 8,000,000$  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
688 time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
689 But the interesting results are:
690 \begin{enumerate}
691   \item the drastic increase ($10$ times)  of the number of iterations needed to
692     reach the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
693     go beyond $N_{x}=150$; \RC{C'est toujours pas clair... ok le nommbre d'itérations est 10 fois plus long mais la suite de la phrase ne veut rien dire}
694 \item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for $N_{x}=140$
695   compared with the Krylov multisplitting method.
696 \end{enumerate}
697
698 These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
699 targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
700 size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
701 grid 2x16 leading to the same conclusion.
702
703 \subsubsection{CPU Power impacts on performance}
704
705 \begin{table} [ht!]
706 \centering
707 \begin{tabular}{r c }
708  \hline
709  Grid architecture & 2x16\\ %\hline
710  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
711  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
712  \end{tabular}
713 \caption{Test conditions: CPU Power impacts}
714 \label{tab:06}
715 \end{table}
716
717 \begin{figure} [ht!]
718 \centering
719 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
720 \caption{CPU Power impacts on execution time}
721 \label{fig:06}
722 \end{figure}
723
724 Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
725 on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
726 from $1$ to $19$ GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
727 performance gain,  around $95\%$ for  both of the  two methods, after  adding more
728 powerful CPU.
729
730 \DL{il faut une conclusion sur ces tests : ils confirment les résultats déjà
731 obtenus en grandeur réelle. Donc c'est une aide précieuse pour les dev. Pas
732 besoin de déployer sur une archi réelle}
733
734
735 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
736
737 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
738 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
739 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
740 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
741 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
742
743 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
744 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
745 In  this case,  each  processor can  compute its  iteration  freely without  any
746 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
747 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
748 performance.
749
750 \RC{la phrase suivante est bizarre, je ne comprends pas pourquoi elle vient ici}
751 In this section, Simgrid simulator tool has been successfully used to show
752 the efficiency of  the multisplitting in asynchronous mode and  to find the best
753 combination of the grid resources (CPU,  Network, input matrix size, \ldots ) to
754 get    the   highest    \textit{"relative    gain"}   (exec\_time$_{GMRES}$    /
755 exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
756
757
758 The test conditions are summarized in the table~\ref{tab:07}: \\
759
760 \begin{table} [ht!]
761 \centering
762 \begin{tabular}{r c }
763  \hline
764  Grid Architecture & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
765  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
766    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
767    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
768  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
769  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
770  \end{tabular}
771 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs Krylov Multisplitting in asynchronous mode}
772 \label{tab:07}
773 \end{table}
774
775 Again,  comprehensive and  extensive tests  have been  conducted with  different
776 parameters as  the CPU power, the  network parameters (bandwidth and  latency)
777 and with different problem size. The  relative gains greater than $1$  between the
778 two algorithms have  been captured after  each step  of the test.   In
779 Figure~\ref{fig:07}  are  reported the  best  grid  configurations allowing
780 the  multisplitting method to  be more than  $2.5$ times faster  than the
781 classical  GMRES.  These  experiments also  show the  relative tolerance  of the
782 multisplitting algorithm when using a low speed network as usually observed with
783 geographically distant clusters through the internet.
784
785 % use the same column width for the following three tables
786 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
787 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
788   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
789   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
790                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
791     \end{tabular}}
792
793
794 \begin{figure}[!t]
795 \centering
796 %\begin{table}
797 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
798 %  \label{"Table 7"}
799  \begin{mytable}{11}
800     \hline
801     bandwidth (Mbit/s)
802     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
803     \hline
804     latency (ms)
805     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
806     \hline
807     power (GFlops)
808     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
809     \hline
810     size (N)
811     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
812     \hline
813     Precision
814     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11}\\
815     \hline
816     Relative gain
817     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
818     \hline
819   \end{mytable}
820 %\end{table}
821  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
822  \label{fig:07}
823 \end{figure}
824
825
826 \section{Conclusion}
827 CONCLUSION
828
829
830 \section*{Acknowledgment}
831
832 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
833
834
835 \bibliographystyle{wileyj}
836 \bibliography{biblio}
837
838 \end{document}
839
840 %%% Local Variables:
841 %%% mode: latex
842 %%% TeX-master: t
843 %%% fill-column: 80
844 %%% ispell-local-dictionary: "american"
845 %%% End: