]> AND Private Git Repository - rce2015.git/blob - paper.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
Modification de la partie SimGrid
[rce2015.git] / paper.tex
1 \documentclass[times]{cpeauth}
2
3 \usepackage{moreverb}
4
5 %\usepackage[dvips,colorlinks,bookmarksopen,bookmarksnumbered,citecolor=red,urlcolor=red]{hyperref}
6
7 %\newcommand\BibTeX{{\rmfamily B\kern-.05em \textsc{i\kern-.025em b}\kern-.08em
8 %T\kern-.1667em\lower.7ex\hbox{E}\kern-.125emX}}
9
10 \def\volumeyear{2015}
11
12 \usepackage{graphicx}
13 \usepackage{wrapfig}
14 \usepackage{grffile}
15
16 \usepackage[T1]{fontenc}
17 \usepackage[utf8]{inputenc}
18 \usepackage{amsfonts,amssymb}
19 \usepackage{amsmath}
20 \usepackage{algorithm}
21 \usepackage{algpseudocode}
22 %\usepackage{amsthm}
23 \usepackage{graphicx}
24 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
25 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
26 %\usepackage{hyperref}
27 \usepackage{multirow}
28
29
30 \usepackage{url}
31 \DeclareUrlCommand\email{\urlstyle{same}}
32
33 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
34 \AtBeginDocument{%
35   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
36   \npthousandthpartsep{}}
37
38 \usepackage{xspace}
39 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
40
41 \newcommand{\AG}[2][inline]{%
42   \todo[color=green!50,#1]{\sffamily\textbf{AG:} #2}\xspace}
43 \newcommand{\RC}[2][inline]{%
44   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{RC:} #2}\xspace}
45 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
46   \todo[color=blue!10,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
47 \newcommand{\RCE}[2][inline]{%
48   \todo[color=yellow!10,#1]{\sffamily\textbf{RCE:} #2}\xspace}
49 \newcommand{\DL}[2][inline]{%
50     \todo[color=pink!10,#1]{\sffamily\textbf{DL:} #2}\xspace}
51
52 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
53 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
54
55 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
56 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
57
58 \newcommand{\TOLG}{\mathit{tol_{gmres}}}
59 \newcommand{\MIG}{\mathit{maxit_{gmres}}}
60 \newcommand{\TOLM}{\mathit{tol_{multi}}}
61 \newcommand{\MIM}{\mathit{maxit_{multi}}}
62 \newcommand{\TOLC}{\mathit{tol_{cgls}}}
63 \newcommand{\MIC}{\mathit{maxit_{cgls}}}
64
65 \usepackage{array}
66 \usepackage{color, colortbl}
67 \newcolumntype{M}[1]{>{\centering\arraybackslash}m{#1}}
68 \newcolumntype{Z}[1]{>{\raggedleft}m{#1}}
69
70 \newcolumntype{g}{>{\columncolor{Gray}}c}
71 \definecolor{Gray}{gray}{0.9}
72
73
74
75 \begin{document}
76 \title{Grid-enabled simulation of large-scale linear iterative solvers}
77 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
78
79 \author{Charles Emile Ramamonjisoa\affil{1},
80   Lilia Ziane Khodja\affil{2},
81   David Laiymani\affil{1},
82   Raphaël Couturier\affil{1} and
83   Arnaud Giersch\affil{1}
84 }
85
86 \address{
87   \affilnum{1}%
88   Femto-ST Institute, DISC Department,
89   University of Franche-Comté,
90   Belfort, France.
91   Email:~\email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}\break
92   \affilnum{2}
93   Department of Aerospace \& Mechanical Engineering,
94   Non Linear Computational Mechanics,
95   University of Liege, Liege, Belgium.
96   Email:~\email{l.zianekhodja@ulg.ac.be}
97 }
98
99 \begin{abstract} %% The behavior of multi-core applications is always a challenge
100 %% to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been
101 %% performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build
102 %% accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation
103 %% tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
104 %% bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
105 %% applications. The main contribution of this paper is to show that the use of a
106 %% simulation tool (here we have decided to use the SimGrid toolkit) can really
107 %% help developers to better tune their applications for a given multi-core
108 %% architecture.
109
110 %% In this paper we focus our attention on the simulation of iterative algorithms to solve sparse linear systems on large clusters. We study the behavior of the widely used GMRES algorithm and two different variants of the Multisplitting algorithms: one using synchronous iterations and another one with asynchronous iterations.
111 %% For each algorithm we have simulated
112 %% different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
113 %% execution time.
114 %% The simulations confirm the real results previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm the efficiency of the asynchronous Multisplitting algorithm on distant clusters compared to the synchronous GMRES algorithm.
115
116 The behavior of multi-core 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.
117
118 In this paper we focus on the simulation of iterative algorithms to solve sparse linear systems. We study the behavior of the GMRES algorithm and two different variants of the multisplitting algorithms: using synchronous or asynchronous iterations. For each algorithm we have simulated different architecture parameters to evaluate their influence on the overall execution time. The simulations confirm the real results previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm the efficiency of the asynchronous multisplitting algorithm on distant clusters compared to the GMRES algorithm.
119
120 \end{abstract}
121
122 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
123 %performance}
124 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
125
126 \maketitle
127
128 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
129 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
130 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
131 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
132 complex parallel applications operating on a large amount of data.
133 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
134 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
135 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
136 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
137 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
138 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
139 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
140 code debugging, ability to obtain results quickly\dots{} In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
141
142 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
143 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
144 simple. It generally involves the division of the problem into  several
145 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
146 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
147 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
148 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
149 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
150 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
151 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a
152 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
153 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
154 neighbors. Both communications and computations are \textit{asynchronous}
155 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
156 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
157 that we detail in Section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of
158 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
159 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
160 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
161 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
162
163 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
164 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
165 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
166 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
167 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
168 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
169 parameter variation of the execution platform and of the application data can
170 lead to very different numbers of iterations to reach the convergence and so to
171 very different execution times. In this challenging context we think that the
172 use of a simulation tool can greatly leverage the possibility of testing various
173 platform scenarios.
174
175 The  {\bf main  contribution  of  this paper}  is  to show  that  the  use of  a
176 simulation tool (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real
177 parallel applications (i.e. large linear  system solvers) can help developers to
178 better tune their  applications for a given multi-core architecture.  To show the
179 validity of this approach we first compare the simulated execution of the Krylov
180 multisplitting  algorithm   with  the   GMRES  (Generalized   Minimal  RESidual)
181 solver~\cite{saad86} in  synchronous mode.  The simulation  results allow  us to
182 determine  which method  to choose  for a given multi-core  architecture.
183 Moreover the  obtained results  on different simulated  multi-core architectures
184 confirm the  real results  previously obtained  on non  simulated architectures.
185 More precisely the simulated results are in accordance (i.e. with the same order
186 of magnitude)  with the works  presented in~\cite{couturier15}, which  show that
187 the synchronous  Krylov multisplitting method  is more efficient  than GMRES  for large
188 scale  clusters.   Simulated   results  also  confirm  the   efficiency  of  the
189 asynchronous  multisplitting   algorithm  compared  to  the   synchronous  GMRES
190 especially in case of geographically distant clusters.
191
192 In this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
193 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
194 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
195 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
196 asynchronous iterative application.
197
198 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
199 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
200 Section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
201 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
202 experimental results are presented in Section~\ref{sec:expe} followed by some
203 concluding remarks and perspectives.
204
205
206 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
207 \label{sec:asynchro}
208
209 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoretically and
210 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
211 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
212 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
213 asynchronous iteration  methods can be used  to solve, for example,  linear and
214 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
215 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
216
217 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
218 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
219 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
220 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
221 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
222 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
223 one, they are not.  It should be noticed that non-blocking communications can be
224 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
225 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
226 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
227 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
228 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
229
230 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
231 for the asynchronous scheme (this number depends on  the delay of the
232 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
233 number of iterations is the same than in the sequential mode. In this way, the
234 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
235 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency,~\ldots) and  of  the
236 application can drastically change the number of iterations required to get the
237 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
238 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
239 architectures are often very important. So, prior to deployment and tests it
240 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
241 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produced
242 by simulation are in accordance with reality i.e. of the same order of
243 magnitude. To our knowledge, there is no study on this problematic.
244
245 \section{SimGrid}
246 \label{sec:simgrid}
247 In the scope of this paper, we have chosen the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile} to simulate the behavior of parallel iterative linear solvers on different computational grid configurations. In opposite to the most simulators which are stayed very oriented-application, SimGrid framework is designed to study the behavior of many large-scale distributed computing platforms as Grids, Peer-to-Peer systems, Clouds or High Performance Computation systems. It is still actively developed by the scientific community and distributed as an open source software.
248
249 SimGrid provides four user interfaces which can be convenient for different distributed applications~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}. In this paper we are interested on the SMPI user interface (Simulator MPI) which implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0 standard and allows minor modifications of the initial code~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward} (see Section~\ref{sec:04.02}). SMPI enables the direct simulation of the execution, as in the real life, of an unmodified MPI distributed application, and gets accurate results with the detailed resources consumption.
250
251 SimGrid simulator uses at least three XML input files describing the computational grid resources: the number of clusters in the grid, the number of processors/cores in each cluster, the detailed description of the intra and inter networks and the list of the hosts in each cluster (see the details in Section~\ref{sec:expe}). SimGrid uses a fluid model to simulate the program execution. It allows several simulation modes which produce accurate results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}. For instance, the "in vivo" mode really executes the computation but "intercepts" the communications (the execution time is then evaluated according to the parameters of the simulated platform). It is also possible for SimGrid/SMPI to only keep the duration of large computations by skipping them. Moreover the application can be run "in vitro" mode by sharing some in-memory structures between the simulated processes and thus allowing the use of very large-scale data.
252
253 The choice of SimGrid/SMPI as a simulator tool in this study has been emphasized by the results obtained by several studies to validate, in the real environments, the behavior of different network models simulated in SimGrid~\cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}. Other studies underline the comparison between the real MPI application executions and the SimGrid/SMPI ones~\cite{guermouche+renard.2010.first,clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}. These works show the accuracy of SimGrid simulations compared to the executions on real physical architectures.
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267 %% In the scope of this paper, the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile},
268 %% an open source framework actively developed by its scientific community, has been chosen to simulate the behavior of iterative linear solvers in different computational grid configurations. SimGrid pretends to be non-specialized in opposite to some other simulators which stayed to be very specific oriented-application. One of the well-known SimGrid advantage is its SMPI (Simulated MPI) user interface. SMPI purpose is to execute by simulation in a similar way as in real life, an MPI distributed application and to get accurate results with the detailed resources
269 %% consumption.Several studies have demonstrated the accuracy of the simulation
270 %% compared with execution on real physical architectures. In addition of SMPI,
271 %% Simgrid provides other API which can be convienent for different distrbuted
272 %% applications: computational grid applications, High Performance Computing (HPC),
273 %% P2P but also clouds applications. In this paper we use the SMPI API. It
274 %% implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0 standard and allows minor
275 %% modifications of the initial code~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}
276 %% (see Section~\ref{sec:04.02}).
277
278
279 %%  Provided as an input to the simulator, at least $3$ XML files describe the
280 %%  computational grid resources: number of clusters in the grid, number of
281 %%  processors/cores in each cluster, detailed description of the intra and inter
282 %%  networks and the list of the hosts in each cluster (see the details in Section~\ref{sec:expe}). Simgrid uses a fluid model to simulate the program execution.
283 %%  This gives several simulation modes which produce accurate
284 %%  results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
285 %%  velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}. For instance, the "in vivo" mode
286 %%  really executes the computation but "intercepts" the communications (running
287 %%  time is then evaluated according to the parameters of the simulated platform).
288 %%  It is also possible for SimGrid/SMPI to only keep duration of large
289 %%  computations by skipping them. Moreover the application can be run "in vitro"
290 %%  by sharing some in-memory structures between the simulated processes and
291 %%  thus allowing the use of very large data scale.
292
293
294 %% The choice of Simgrid/SMPI as a simulator tool in this study has been emphasized
295 %% by the results obtained by several studies to validate, in real environments,
296 %% the behavior of different network models simulated in
297 %% Simgrid~\cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}. Other studies underline
298 %% the comparison between real MPI executions  and SimGrid/SMPI
299 %% ones\cite{guermouche+renard.2010.first, clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
300 %% bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}. These works show the accuracy of
301 %% SimGrid simulations.
302
303
304
305
306
307
308 % 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.
309 %
310 % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
311 % % SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}
312 % % is a simulation framework to study the behavior of large-scale distributed
313 % % systems.  As its name suggests, it emanates from the grid computing community,
314 % % but is nowadays used to study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The
315 % % early versions of SimGrid date back from 1999, but it is still actively
316 % % developed and distributed as an open source software.  Today, it is one of the
317 % % major generic tools in the field of simulation for large-scale distributed
318 % % systems.
319 %
320 % SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
321 % Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
322 % run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
323 % interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
324 % languages.  SMPI is the interface that has been used for the work described in
325 % this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
326 % standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
327 % applications written in C or Fortran, with little or no modifications (cf Section IV - paragraph B).
328 %
329 % Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
330 % single process.  The application code is really executed, but some operations,
331 % like communications, are intercepted, and their running time is computed
332 % according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
333 % description of this target platform is given as an input for the execution, by
334 % means of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
335 % the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
336 % their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
337 % simulated processes, as well as the simulated running time of the application
338 % are computed according to these properties.
339 %
340 % To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
341 % into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
342 % communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows users to run relatively fast
343 % simulations, while still keeping accurate
344 % results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
345 %   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
346 % simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
347 % to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
348 % skipped, but the results are unimportant for the simulation results, it is
349 % also possible to share dynamically allocated data structures between
350 % several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
351 % These two techniques can help to run simulations on a very large scale.
352 %
353 % The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
354 % See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
355 % referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
356 % real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
357 % SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
358 %   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
359 %   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
360 % SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
361 % applications.
362 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
363
364 \section{Two-stage multisplitting methods}
365 \label{sec:04}
366 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
367 \label{sec:04.01}
368 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 $\mathbb{R}$:
369 \begin{equation}
370 Ax=b,
371 \label{eq:01}
372 \end{equation}
373 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:
374 \begin{equation}
375 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
376 \label{eq:02}
377 \end{equation}
378 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:
379 \begin{equation}
380 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
381 \label{eq:03}
382 \end{equation}
383 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~\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}.
384
385 \begin{figure}[htpb]
386 %\begin{algorithm}[t]
387 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
388 \begin{algorithmic}[1]
389   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
390   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
391   \State Set the initial guess $x^0$
392   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
393     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
394     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
395     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
396     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
397   \EndFor
398 \end{algorithmic}
399 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
400 \label{alg:01}
401 %\end{algorithm}
402 \end{figure}
403
404 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:
405 \begin{equation}
406 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
407 \label{eq:04}
408 \end{equation}
409 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
410
411 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:
412 \begin{equation}
413 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
414 \label{eq:05}
415 \end{equation}
416 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
417 \begin{equation}
418 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
419 \label{eq:06}
420 \end{equation}
421 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}).
422
423 \begin{figure}[htbp]
424 %\begin{algorithm}[t]
425 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
426 \begin{algorithmic}[1]
427   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
428   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
429   \State Set the initial guess $x^0$
430   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
431     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
432     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
433     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
434     \If{$k\mod s = 0$}
435        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
436        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
437        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
438        \Else
439          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
440     \EndIf
441     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
442   \EndFor
443 \end{algorithmic}
444 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
445 \label{alg:02}
446 %\end{algorithm}
447 \end{figure}
448
449 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
450 \label{sec:04.02}
451
452 One of our objectives when simulating the  application in SimGrid is, as in real
453 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
454 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
455 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the SimGrid
456 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
457 libraries  and related  header files  (\verb+smpi.h+).  The  second modification  is to
458 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
459 SimGrid selector       called      "runtime       automatic      switching"
460 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
461 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
462 SimGrid  to simulate the  grid environment.
463
464 \paragraph{Parameters of the simulation in SimGrid}
465 \  \\ \noindent  Before running  a SimGrid  benchmark, many  parameters for  the
466 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
467 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
468 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
469
470 \begin{itemize}
471         \item hostfile: hosts description file,
472         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
473 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth $bw$,
474 latency $lat$, \dots{}),
475         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
476 nodes/processors in each cluster).
477 \end{itemize}
478 \noindent
479 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
480
481 \begin{itemize}
482         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
483         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
484         \item matrix sizes of the problem: N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$ on axis $x$, $y$ and $z$ respectively (in our experiments, we solve 3D problem, see Section~\ref{3dpoisson}),
485         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous experiments and $6.2$ for asynchronous ones,
486         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
487         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
488         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
489         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
490         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
491         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
492 \end{itemize}
493
494 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.
495
496 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
497 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
498
499 \section{Experimental results}
500 \label{sec:expe}
501
502 In this section, experiments for both multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
503
504 \subsection{The 3D Poisson problem}
505 \label{3dpoisson}
506 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:
507 \begin{equation}
508 \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
509 \label{eq:07}
510 \end{equation}
511 such that:
512 \begin{equation*}
513 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
514 \end{equation*}
515 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:
516 \begin{equation}
517 \begin{array}{ll}
518 \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))
519 \end{array}
520 \label{eq:08}
521 \end{equation}
522 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
523
524 In the parallel context, the 3D Poisson problem is partitioned into $L\times p$
525 sub-problems such that $L$ is the number of clusters and $p$ is the number of
526 processors in each cluster. We apply the three-dimensional partitioning instead
527 of the row-by-row one in order to reduce the size of the data shared at the
528 sub-problems boundaries. In this case, each processor is in charge of
529 parallelepipedic block of the problem and has at most six neighbors in the same
530 cluster or in distant clusters with which it shares data at boundaries.
531
532 \subsection{Study setup and simulation methodology}
533
534 First, to conduct our study, we propose the following methodology
535 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
536
537 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
538 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
539 have been chosen for the study in this paper. \\
540
541 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
542 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
543 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the multisplitting
544 method. In addition, the SimGrid simulator has been chosen to simulate the
545 behaviors of the distributed applications. SimGrid is running in a virtual
546 machine on a simple laptop. \\
547
548 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
549 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
550 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
551 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
552
553 \textbf{Step 4}: Set up the  different grid testbed environments  that will be
554 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architectures
555 have been configured in SimGrid : 2$\times$16, 4$\times$8, 4$\times$16, 8$\times$8 and 2$\times$50. The first number
556 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
557 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. \\
558
559 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
560 within these configurations by varying the key parameters, especially
561 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
562 input data.  \\
563
564 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
565
566 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in a grid environment}
567
568 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
569 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
570 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
571 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
572 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
573 increase.
574
575 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
576 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
577 the program output results:
578 \begin{enumerate}
579 \item  the network  bandwidth  ($bw$ in bits/s) also  known  as "the  data-carrying
580     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
581     from one point to another in a unit of time.
582 \item the  network latency  ($lat$ in microseconds) defined as  the delay  from the
583   start time to send  a simple data from a source to a destination.
584 \end{enumerate}
585 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
586 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
587
588  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on one hand,  the
589  \textit{intra-network} which refers  to the links between nodes within  a
590  cluster and on  the other  hand, the  \textit{inter-network} which  is the
591  backbone link  between clusters.  In   practice,  these  two   networks  have
592  different   speeds. The intra-network  generally works  like a  high speed
593  local network  with a high bandwidth and very low latency. In opposite, the
594  inter-network connects clusters sometime via  heterogeneous networks components
595  through internet with a lower speed.  The network  between distant  clusters
596  might  be a  bottleneck for  the global performance of the application.
597
598
599 \subsection{Comparison between GMRES and two-stage multisplitting algorithms in
600 synchronous mode}
601 In the scope of this paper, our first objective is to analyze
602 when the synchronous Krylov two-stage method has better performance than the
603 classical GMRES method. With a synchronous iterative method, better performance
604 means a smaller number of iterations and execution time before reaching the
605 convergence.
606
607 Table~\ref{tab:01} summarizes the parameters used in the different simulations:
608 the grid architectures (i.e. the number of clusters and the number of nodes per
609 cluster), the network of inter-clusters backbone links and the matrix sizes of
610 the 3D Poisson problem. However, for all simulations we fix the network
611 parameters of the intra-clusters links: the bandwidth $bw$=10Gbs and the latency
612 $lat=8\mu$s. In what follows, we will present the test conditions, the output
613 results and our comments.
614
615 \begin{table} [ht!]
616 \begin{center}
617 \begin{tabular}{ll}
618 \hline
619 Grid architecture                       & 2$\times$16, 4$\times$8, 4$\times$16 and 8$\times$8\\
620 \multirow{2}{*}{Network inter-clusters} & $N1$: $bw$=10Gbs, $lat=8\mu$s \\
621                                         & $N2$: $bw$=1Gbs, $lat=50\mu$s \\
622 \multirow{2}{*}{Matrix size}            & $Mat1$: N$_{x}\times$N$_{y}\times$N$_{z}$=150$\times$150$\times$150\\
623                                         & $Mat2$: N$_{x}\times$N$_{y}\times$N$_{z}$=170$\times$170$\times$170 \\ \hline
624 \end{tabular}
625 \caption{Parameters for the different simulations}
626 \label{tab:01}
627 \end{center}
628 \end{table}
629
630 \subsubsection{Simulations for various grid architectures and scaling-up matrix sizes\\}
631
632 In  this  section,  we  analyze   the  simulations  conducted  on  various  grid
633 configurations and for different sizes of the 3D Poisson problem. The parameters
634 of    the    network    between    clusters    is    fixed    to    $N2$    (see
635 Table~\ref{tab:01}). Figure~\ref{fig:01} shows, for all grid configurations and
636 a given matrix size of 170$^3$ elements, a  non-variation in the number of
637 iterations for the classical GMRES algorithm, which is not the case of the
638 Krylov two-stage algorithm. In fact, with multisplitting  algorithms, the number
639 of splitting (in our case, it is equal to the number of clusters) influences on the
640 convergence speed. The higher the number  of splitting is, the slower the
641 convergence of the algorithm is (see the output results obtained from
642 configurations 2$\times$16 vs. 4$\times$8 and configurations 4$\times$16 vs.
643 8$\times$8).
644
645 The execution times between both algorithms is significant with different grid
646 architectures. The synchronous Krylov two-stage algorithm presents better
647 performances than the GMRES algorithm, even for a high number of clusters (about
648 $32\%$ more efficient on a grid of 8$\times$8 than GMRES). In addition, we can
649 observe a better sensitivity of the Krylov two-stage algorithm (compared to the
650 GMRES one) when scaling up the number of the processors in the computational
651 grid: the Krylov two-stage algorithm is about $48\%$ and the GMRES algorithm is
652 about $40\%$ better on $64$ processors (grid of 8$\times$8) than $32$ processors
653 (grid of 2$\times$16).
654
655 \begin{figure}[ht]
656 \begin{center}
657 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
658 \end{center}
659 \caption{Various grid configurations with two matrix sizes: $150^3$ and $170^3$}
660 \label{fig:01}
661 \end{figure}
662
663 \subsubsection{Simulations for two different inter-clusters network speeds\\}
664 In  Figure~\ref{fig:02} we  present the  execution times  of both  algorithms to
665 solve a  3D Poisson problem of  size $150^3$ on two  different simulated network
666 $N1$ and $N2$ (see Table~\ref{tab:01}). As previously mentioned, we can see from
667 this figure  that the Krylov two-stage  algorithm is sensitive to  the number of
668 clusters (i.e. it is better to have a small number of clusters). However, we can
669 notice an  interesting behavior of  the Krylov  two-stage algorithm. It  is less
670 sensitive to bad network bandwidth and latency for the inter-clusters links than
671 the  GMRES algorithms.  This  means  that the  multisplitting  methods are  more
672 efficient for distributed systems with high latency networks.
673
674 \begin{figure}[ht]
675 \centering
676 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
677 \caption{Various grid configurations with two networks parameters: $N1$ vs. $N2$}
678 %\LZK{CE, remplacer les ``,'' des décimales par un ``.''}
679 %\RCE{ok}
680 \label{fig:02}
681 \end{figure}
682
683 \subsubsection{Network latency impacts on performances\\}
684 Figure~\ref{fig:03} shows the impact of the network latency on the performances of both algorithms. The simulation is conducted on a computational grid of 2 clusters of 16 processors each (i.e. configuration 2$\times$16) interconnected by a network of bandwidth $bw$=1Gbs to solve a 3D Poisson problem of size $150^3$. According to the results, a degradation of the network latency from $8\mu$s to $60\mu$s implies an absolute execution time increase for both algorithms, but not with the same rate of degradation. The GMRES algorithm is more sensitive to the latency degradation than the Krylov two-stage algorithm.
685
686 \begin{figure}[ht]
687 \centering
688 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
689 \caption{Network latency impacts on performances}
690 \label{fig:03}
691 \end{figure}
692
693 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performances\\}
694
695 Figure~\ref{fig:04} reports the results obtained for the simulation of a grid of
696 $2\times16$ processors interconnected by a network of latency $lat=50\mu$s to
697 solve a 3D Poisson problem of size $150^3$. The results of increasing the
698 network bandwidth from $1$Gbs to $10$Gbs show the performances improvement for
699 both algorithms by reducing the execution times. However, the Krylov two-stage
700 algorithm presents a better performance gain in the considered bandwidth
701 interval with a gain of $40\%$ compared to only about $24\%$ for the classical
702 GMRES algorithm.
703
704 \begin{figure}[ht]
705 \centering
706 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
707 \caption{Network bandwith impacts on performances}
708 \label{fig:04}
709 \end{figure}
710
711 \subsubsection{Matrix size impacts on performances\\}
712
713 In these experiments, the matrix size of the 3D Poisson problem is varied from
714 $50^3$ to $190^3$ elements. The simulated computational grid is composed of $4$
715 clusters of $8$ processors each interconnected by the network $N2$ (see
716 Table~\ref{tab:01}). As shown in Figure~\ref{fig:05}, the execution
717 times for both algorithms increase with increased matrix sizes.  For all problem
718 sizes, the GMRES algorithm is always slower than the Krylov two-stage algorithm.
719 Moreover, for this benchmark, it seems that the greater the problem size is, the
720 bigger the ratio between execution times of both algorithms is. We can also
721 observe that for some problem sizes, the convergence (and thus the execution
722 time) of the Krylov two-stage algorithm varies quite a lot.
723 %This is due to the 3D partitioning of the 3D matrix of the Poisson problem.
724 These findings may help a lot end users to setup the best and the optimal targeted environment for the application deployment when focusing on the problem size scale up.
725
726 \begin{figure}[ht]
727 \centering
728 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
729 \caption{Problem size impacts on performances}
730 \label{fig:05}
731 \end{figure}
732
733 \subsubsection{CPU power impacts on performances\\}
734
735 Using the SimGrid simulator flexibility, we have tried to determine the impact
736 of the CPU power of the processors in the different clusters on performances of
737 both algorithms. We have varied the CPU power from $1$GFlops to $19$GFlops. The
738 simulation is conducted on a grid of $2\times16$ processors interconnected by
739 the network $N2$ (see Table~\ref{tab:01}) to solve a 3D Poisson problem of size
740 $150^3$. The results depicted in Figure~\ref{fig:06} confirm the performance
741 gain, about $95\%$ for both algorithms, after improving the CPU power of
742 processors.
743
744 \begin{figure}[ht]
745 \centering
746 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
747 \caption{CPU Power impacts on performances}
748 \label{fig:06}
749 \end{figure}
750 \ \\
751
752 To conclude these series of experiments, with  SimGrid we have been able to make
753 many simulations  with many parameters  variations. Doing all  these experiments
754 with a real platform is most of the time not possible or very costly. Moreover
755 the behavior of both GMRES and  Krylov two-stage algorithms is in accordance
756 with larger real executions on large scale supercomputers~\cite{couturier15}.
757
758
759 \subsection{Comparison between synchronous GMRES and asynchronous two-stage multisplitting algorithms}
760
761 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
762 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
763 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
764 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
765 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
766
767 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
768 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
769 In  this case,  each  processor can  compute its  iterations  freely without  any
770 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
771 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
772 performance.
773
774 In this section,  the SimGrid simulator is  used to compare the  behavior of the
775 two-stage  algorithm  in  asynchronous  mode with  GMRES  in  synchronous  mode.
776 Several benchmarks  have been  performed with various  combinations of  the grid
777 resources  (CPU,  Network,  matrix  size,   \ldots).  The  test  conditions  are
778 summarized in Table~\ref{tab:02}.
779
780
781
782 %\LZK{Quelle table repporte les gains relatifs?? Sûrement pas Table II !!}
783 %\RCE{Table III avec la nouvelle numerotation}
784
785
786 \begin{table}[htbp]
787 \centering
788 \begin{tabular}{ll}
789  \hline
790  Grid architecture                       & 2$\times$50 totaling 100 processors\\
791  Processors Power                        & 1 GFlops to 1.5 GFlops \\
792  \multirow{2}{*}{Network inter-clusters} & $bw$=1.25 Gbits, $lat=50\mu$s \\
793                                          & $bw$=5 Mbits, $lat=20ms$\\
794  Matrix size                             & from $62^3$ to $150^3$\\
795  Residual error precision                & $10^{-5}$ to $10^{-9}$\\ \hline \\
796  \end{tabular}
797 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs. Krylov two-stage in asynchronous mode}
798 \label{tab:02}
799 \end{table}
800
801
802 % use the same column width for the following three tables
803 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
804 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
805   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
806   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
807                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
808     \end{tabular}}
809
810
811 \begin{table}[!t]
812 \centering
813 %\begin{table}
814 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
815 %  \label{"Table 7"}
816  \begin{mytable}{11}
817     \hline
818     bandwidth (Mbit/s)
819     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
820     \hline
821     latency (ms)
822     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
823     \hline
824     power (GFlops)
825     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
826     \hline
827     size ($N^3$)
828     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
829     \hline
830     Precision
831     & \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}\\
832     \hline
833     Relative gain
834     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
835     \hline
836   \end{mytable}
837 %\end{table}
838  \caption{Relative gains of the two-stage multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
839  \label{tab:03}
840 \end{table}
841
842
843 Table~\ref{tab:03} reports  the relative gains  between both algorithms.   It is
844 defined by the ratio between the execution  time of GMRES and the execution time
845 of the  multisplitting. The ratio is  greater than one because  the asynchronous
846 multisplitting  version  is  faster  than   GMRES.  In  average,  the  two-stage
847 multisplitting algorithm to  be more than $2.5$ times faster  than the classical
848 GMRES.  These experiments also show the relative tolerance of the multisplitting
849 algorithm when using a low speed network as usually observed with geographically
850 distant clusters through the internet.
851
852
853 \section{Conclusion}
854 In this paper we have presented the simulation of the execution of three
855 different parallel solvers on some multi-core architectures. We have shown that
856 the SimGrid toolkit is an interesting simulation tool that has allowed us to
857 determine  which method  to choose  given a  specified multi-core  architecture.
858 Moreover the simulated results are in accordance (i.e. with the same order of
859 magnitude)  with the works  presented in~\cite{couturier15}. Simulated   results
860 also  confirm  the   efficiency  of  the asynchronous  multisplitting
861 algorithm  compared  to  the   synchronous  GMRES especially in case of
862 geographically distant clusters.
863
864 These results are important since it is very  time consuming to find optimal
865 configuration  and deployment requirements for a given application  on   a given
866 multi-core  architecture. Finding   good  resource allocations policies under
867 varying CPU power, network speeds and  loads is very challenging and  labor
868 intensive. This problematic is  even more difficult  for the  asynchronous
869 scheme where  a small parameter variation of the execution platform and of the
870 application data can lead to very different numbers of iterations to reach the
871 converge and so to very different execution times.
872
873
874 In future works, we  plan to investigate how to simulate  the behavior of really
875 large scale  applications. For  example, if  we are  interested to  simulate the
876 execution of the solvers of this paper with thousand or even dozens of thousands
877 of cores,  it is not possible  to do that with  SimGrid. In fact, this  tool will
878 make the real computation. So we plan to focus our research on that problematic.
879
880
881
882 %\section*{Acknowledgment}
883 \ack
884 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
885
886 \bibliographystyle{wileyj}
887 \bibliography{biblio}
888
889
890 \end{document}
891
892 %%% Local Variables:
893 %%% mode: latex
894 %%% TeX-master: t
895 %%% fill-column: 80
896 %%% ispell-local-dictionary: "american"
897 %%% End: