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[rce2015.git] / paper.tex
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73 \begin{document}
74 \title{Grid-enabled simulation of large-scale linear iterative solvers}
75 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
76
77 \author{Charles Emile Ramamonjisoa\affil{1},
78     David Laiymani\affil{1},
79     Arnaud Giersch\affil{1},
80     Lilia Ziane Khodja\affil{2} and
81     Raphaël Couturier\affil{1}
82 }
83
84 \address{
85   \affilnum{1}%
86   Femto-ST Institute, DISC Department,
87   University of Franche-Comté,
88   Belfort, France.
89   Email:~\email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}\break
90   \affilnum{2}
91   Department of Aerospace \& Mechanical Engineering,
92   Non Linear Computational Mechanics,
93   University of Liege, Liege, Belgium.
94   Email:~\email{l.zianekhodja@ulg.ac.be}
95 }
96
97 \begin{abstract} The behavior of multi-core applications is always a challenge
98 to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been
99 performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build
100 accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation
101 tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
102 bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
103 applications. The main contribution of this paper is to show that the use of a
104 simulation tool (here we have decided to use the SimGrid toolkit) can really
105 help developers to better tune their applications for a given multi-core
106 architecture.
107
108 %In particular we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
109 %on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
110 %These algorithms  are used to  solve linear  systems. Two different  variants of
111 %the Multisplitting are studied: one  using synchronoous  iterations and  another
112 %one  with asynchronous iterations.
113 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.  
114 For each algorithm we have simulated
115 different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
116 execution time. 
117 %The obtain simulated results confirm the real results
118 %previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm
119 %the efficiency of the asynchronous Multisplitting algorithm compared to the
120 %synchronous GMRES method.
121 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.
122
123 \end{abstract}
124
125 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
126 %performance}
127 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
128
129 \maketitle
130
131 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
132 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
133 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
134 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
135 complex parallel applications operating on a large amount of data.
136 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
137 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
138 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
139 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
140 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
141 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
142 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
143 code debugging, ability to obtain results quickly\dots{} In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
144
145 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
146 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
147 simple. It generally involves the division of the problem into  several
148 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
149 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
150 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
151 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
152 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
153 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
154 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a
155 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
156 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
157 neighbors. Both communication and computations are \textit{asynchronous}
158 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
159 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
160 that we detail in section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of
161 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
162 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
163 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
164 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
165
166 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
167 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
168 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
169 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
170 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
171 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
172 parameter variation of the execution platform and of the application data can
173 lead to very different numbers of iterations to reach the converge and so to
174 very different execution times. In this challenging context we think that the
175 use of a simulation tool can greatly leverage the possibility of testing various
176 platform scenarios.
177
178 The  {\bf main  contribution  of  this paper}  is  to show  that  the  use of  a
179 simulation tool (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real
180 parallel applications (i.e. large linear  system solvers) can help developers to
181 better tune their  application for a given multi-core architecture.  To show the
182 validity of this approach we first compare the simulated execution of the Krylov
183 multisplitting  algorithm   with  the   GMRES  (Generalized   Minimal  Residual)
184 solver~\cite{saad86} in  synchronous mode.  The simulation  results allow  us to
185 determine  which method  to choose  given a  specified multi-core  architecture.
186 Moreover the  obtained results  on different simulated  multi-core architectures
187 confirm the  real results  previously obtained  on non  simulated architectures.
188 More precisely the simulated results are in accordance (i.e. with the same order
189 of magnitude)  with the works  presented in~\cite{couturier15}, which  show that
190 the synchronous  multisplitting method  is more efficient  than GMRES  for large
191 scale  clusters.   Simulated   results  also  confirm  the   efficiency  of  the
192 asynchronous  multisplitting   algorithm  compared  to  the   synchronous  GMRES
193 especially in case of geographically distant clusters.
194
195 In this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
196 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
197 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
198 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
199 asynchronous iterative application.
200
201 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
202 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
203 section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
204 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
205 experimental results are presented in section~\ref{sec:expe} followed by some
206 concluding remarks and perspectives.
207
208
209 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
210 \label{sec:asynchro}
211
212 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoritecally and
213 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
214 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
215 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
216 asynchronous iterations  methods can be used  to solve, for example,  linear and
217 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
218 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
219
220 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
221 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
222 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
223 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
224 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
225 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
226 one, they are not.  It should be noticed that non blocking communications can be
227 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
228 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
229 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
230 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
231 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
232
233 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
234 for the asynchronous scheme (this number depends depends on  the delay of the
235 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
236 number of iterations is the same than in the sequential mode. In this way, the
237 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
238 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency, \ldots) and  of  the
239 application can drastically change the number of iterations required to get the
240 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
241 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
242 architecture are often very important. So, prior to delpoyment and tests it
243 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
244 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produce
245 by simulation are in accordance with reality i.e. of the same order of
246 magnitude. To our knowledge, there is no study on this problematic.
247
248 \section{SimGrid}
249 \label{sec:simgrid}
250 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.
251
252 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
253 % SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}
254 % is a simulation framework to study the behavior of large-scale distributed
255 % systems.  As its name suggests, it emanates from the grid computing community,
256 % but is nowadays used to study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The
257 % early versions of SimGrid date back from 1999, but it is still actively
258 % developed and distributed as an open source software.  Today, it is one of the
259 % major generic tools in the field of simulation for large-scale distributed
260 % systems.
261
262 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
263 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
264 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
265 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
266 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work described in
267 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
268 standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
269 applications written in C or Fortran, with little or no modifications (cf Section IV - paragraph B).
270
271 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
272 single process.  The application code is really executed, but some operations,
273 like communications, are intercepted, and their running time is computed
274 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
275 description of this target platform is given as an input for the execution, by
276 means of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
277 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
278 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
279 simulated processes, as well as the simulated running time of the application
280 are computed according to these properties.
281
282 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
283 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
284 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows users to run relatively fast
285 simulations, while still keeping accurate
286 results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
287   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
288 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
289 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
290 skipped, but the results are unimportant for the simulation results, it is
291 also possible to share dynamically allocated data structures between
292 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
293 These two techniques can help to run simulations on a very large scale.
294
295 The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
296 See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
297 referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
298 real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
299 SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
300   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
301   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
302 SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
303 applications.
304 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
305
306 \section{Two-stage multisplitting methods}
307 \label{sec:04}
308 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
309 \label{sec:04.01}
310 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 $\mathbb{R}$:
311 \begin{equation}
312 Ax=b,
313 \label{eq:01}
314 \end{equation}
315 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:
316 \begin{equation}
317 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
318 \label{eq:02}
319 \end{equation}
320 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:
321 \begin{equation}
322 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
323 \label{eq:03}
324 \end{equation}
325 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}.
326
327 \begin{figure}[t]
328 %\begin{algorithm}[t]
329 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
330 \begin{algorithmic}[1]
331   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
332   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
333   \State Set the initial guess $x^0$
334   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
335     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
336     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
337     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
338     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
339   \EndFor
340 \end{algorithmic}
341 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
342 \label{alg:01}
343 %\end{algorithm}
344 \end{figure}
345
346 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:
347 \begin{equation}
348 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
349 \label{eq:04}
350 \end{equation}
351 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
352
353 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:
354 \begin{equation}
355 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
356 \label{eq:05}
357 \end{equation}
358 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
359 \begin{equation}
360 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
361 \label{eq:06}
362 \end{equation}
363 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}).
364
365 \begin{figure}[t]
366 %\begin{algorithm}[t]
367 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
368 \begin{algorithmic}[1]
369   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
370   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
371   \State Set the initial guess $x^0$
372   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
373     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
374     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
375     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
376     \If{$k\mod s = 0$}
377        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
378        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
379        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
380        \Else
381          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
382     \EndIf
383     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
384   \EndFor
385 \end{algorithmic}
386 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
387 \label{alg:02}
388 %\end{algorithm}
389 \end{figure}
390
391 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
392 \label{sec:04.02}
393
394 One of our objectives when simulating the  application in Simgrid is, as in real
395 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
396 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
397 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the Simgrid
398 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
399 libraries  and related  header files  (smpi.h).  The  second modification  is to
400 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
401 Simgrid      selector       called      "runtime       automatic      switching"
402 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
403 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
404 Simgrid  to simulate the  grid environment.
405
406 %\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
407 %last modification on the  MPI program pointed out for some  cases, the review of
408 %the sequence of  the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and  MPI\_Waitall instructions which
409 %might cause an infinite loop.
410
411
412 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
413 \  \\ \noindent  Before running  a Simgrid  benchmark, many  parameters for  the
414 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
415 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
416 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
417
418 \begin{itemize}
419         \item hostfile: hosts description file.
420         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
421 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
422 latency lat, \dots{}).
423         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
424 nodes/processors for each cluster).
425 \end{itemize}
426 \noindent
427 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
428
429 \begin{itemize}
430         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
431         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
432         \item matrix sizes of the 3D Poisson problem: N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$ on axis $x$, $y$ and $z$ respectively,
433         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous Krylov multisplitting experiments and $6.2$ for asynchronous block Jacobi experiments,
434         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
435         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
436         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
437         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
438         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
439         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
440 \end{itemize}
441
442 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.
443
444 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
445 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
446
447 \section{Experimental Results}
448 \label{sec:expe}
449
450 In this section, experiments for both Multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
451
452 \subsection{The 3D Poisson problem}
453
454
455 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:
456 \begin{equation}
457 \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
458 \label{eq:07}
459 \end{equation}
460 such that:
461 \begin{equation*}
462 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
463 \end{equation*}
464 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:
465 \begin{equation}
466 \begin{array}{ll}
467 \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))
468 \end{array}
469 \label{eq:08}
470 \end{equation}
471 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
472
473 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.
474
475 \subsection{Study setup and simulation methodology}
476
477 First, to conduct our study, we propose the following methodology
478 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
479
480 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
481 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
482 have been chosen for the study in this paper. \\
483
484 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
485 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
486 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the Multisplitting
487 method. In addition, the Simgrid simulator has been chosen to simulate the
488 behaviors of the distributed applications. Simgrid is running in a virtual
489 machine on a simple laptop. \\
490
491 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
492 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
493 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
494 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
495
496 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
497 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architecture
498 has been configured in Simgrid : 2x16, 4x8, 4x16, 8x8 and 2x50. The first number
499 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
500 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network  has been
501 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
502 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
503 (resp.  inter-clusters backbone links). \\
504
505 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
506 within these configurations by varying the key parameters, especially
507 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
508 input data.  \\
509
510 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
511
512 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
513 a grid environment}
514
515 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
516 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
517 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
518 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
519 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
520 increase.
521
522 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
523 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
524 the program output results:
525 \begin{enumerate}
526 \item  the network  bandwidth  (bw=bits/s) also  known  as "the  data-carrying
527     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
528     from one point to another in a unit of time.
529 \item the  network latency  (lat :  microsecond) defined as  the delay  from the
530   start time to send  a simple data from a source to a destination.
531 \end{enumerate}
532 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
533 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
534
535  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
536  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and
537  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
538  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.
539  The intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a
540  high bandwith and very low latency. In opposite, the inter-network connects
541  clusters sometime via  heterogeneous networks components  throuth internet with
542  a lower speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck
543  for  the global performance of the application.
544
545 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov Multisplitting algorithms in synchronous mode}
546
547 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
548 Multisplitting  method   has  better  performance  than   the  classical  GMRES
549 method. With a synchronous  iterative method, better performance means a
550 smaller number of iterations and execution time before reaching the convergence.
551 For a systematic study,  the experiments  should figure  out  that, for  various
552 grid  parameters values, the simulator will confirm  the targeted outcomes,
553 particularly for poor and slow  networks, focusing on the  impact on the
554 communication  performance on the chosen class of algorithm.
555
556 The following paragraphs present the test conditions, the output results
557 and our comments.\\
558
559
560 \subsubsection{Execution of the algorithms on various computational grid
561 architectures and scaling up the input matrix size}
562 \ \\
563 % environment
564
565 \begin{table} [ht!]
566 \begin{center}
567 \begin{tabular}{r c }
568  \hline
569  Grid Architecture & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
570  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
571  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
572  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
573  \end{tabular}
574 \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?}
575 \AG{La lettre 'x' n'est pas le symbole de la multiplication. Utiliser \texttt{\textbackslash times}.  Idem dans le texte, les figures, etc.}}
576 \label{tab:01}
577 \end{center}
578 \end{table}
579
580
581
582
583
584 In this  section, we analyze the  performance of algorithms running  on various
585 grid configurations  (2x16, 4x8, 4x16  and 8x8). First,  the results in  Figure~\ref{fig:01}
586 show for all grid configurations the non-variation of the number of iterations of
587 classical  GMRES for  a given  input matrix  size; it is not  the case  for the
588 multisplitting method.
589
590 \RC{CE attention tu n'as pas mis de label dans tes figures, donc c'est le bordel, j'en mets mais vérifie...}
591 \RC{Les légendes ne sont pas explicites...}
592
593
594 \begin{figure} [ht!]
595   \begin{center}
596     \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
597   \end{center}
598   \caption{Various grid configurations with the input matrix size N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170\RC{idem}
599 \AG{Utiliser le point comme séparateur décimal et non la virgule.  Idem dans les autres figures.}}
600   \label{fig:01}
601 \end{figure}
602
603
604 The execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
605 grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2x16
606 and  4x8). We  can  observ  the low  sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
607 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
608 in the  grid: in  average, the GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm performs
609 $40\%$ 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?}
610
611 \subsubsection{Running on two different inter-clusters network speeds \\}
612
613 \begin{table} [ht!]
614 \begin{center}
615 \begin{tabular}{r c }
616  \hline
617  Grid Architecture & 2x16, 4x8\\ %\hline
618  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
619  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
620  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
621  \end{tabular}
622 \caption{Test conditions: grid 2x16 and 4x8 with  networks N1 vs N2}
623 \label{tab:02}
624 \end{center}
625 \end{table}
626
627 These experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running first  on a
628 speed inter-cluster  network (N1) and  also on  a less performant  network (N2). \RC{Il faut définir cela avant...}
629 Figure~\ref{fig:02} shows that end users will reduce the execution time
630 for  both  algorithms when using  a  grid  architecture  like  4x16 or  8x8: the reduction is about $2$. The results depict  also that when
631 the  network speed  drops down (variation of 12.5\%), the  difference between  the two Multisplitting algorithms execution times can reach more than 25\%.
632
633
634
635 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
636 \begin{figure} [ht!]
637 \centering
638 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
639 \caption{Grid 2x16 and 4x8 with networks N1 vs N2
640 \AG{\np{8E-6}, \np{5E-6} au lieu de 8E-6, 5E-6}}
641 \label{fig:02}
642 \end{figure}
643 %\end{wrapfigure}
644
645
646 \subsubsection{Network latency impacts on performance}
647 \ \\
648 \begin{table} [ht!]
649 \centering
650 \begin{tabular}{r c }
651  \hline
652  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
653  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
654  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
655  \end{tabular}
656 \caption{Test conditions: network latency impacts}
657 \label{tab:03}
658 \end{table}
659
660
661
662 \begin{figure} [ht!]
663 \centering
664 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
665 \caption{Network latency impacts on execution time
666 \AG{\np{E-6}}}
667 \label{fig:03}
668 \end{figure}
669
670
671 According to  the results of  Figure~\ref{fig:03}, a degradation of  the network
672 latency from  $8.10^{-6}$ to  $6.10^{-5}$ implies an  absolute time  increase of
673 more  than $75\%$  (resp.  $82\%$)  of the  execution  for  the classical  GMRES
674 (resp.  Krylov multisplitting)  algorithm.   In addition,  it  appears that  the
675 Krylov multisplitting method tolerates more the network latency variation with a
676 less  rate increase  of  the  execution time.\RC{Les  2  précédentes phrases  me
677   semblent en contradiction....}  Consequently, in the worst case ($lat=6.10^{-5
678 }$), the  execution time for  GMRES is  almost the double  than the time  of the
679 Krylov multisplitting,  even though, the  performance was  on the same  order of
680 magnitude with a latency of $8.10^{-6}$.
681
682 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
683 \ \\
684 \begin{table} [ht!]
685 \centering
686 \begin{tabular}{r c }
687  \hline
688  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
689  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
690  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
691  \end{tabular}
692 \caption{Test conditions: Network bandwidth impacts\RC{Qu'est ce qui varie ici? Il n'y a pas de variation dans le tableau}}
693 \label{tab:04}
694 \end{table}
695
696
697 \begin{figure} [ht!]
698 \centering
699 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
700 \caption{Network bandwith impacts on execution time
701 \AG{``Execution time'' avec un 't' minuscule}. Idem autres figures.}
702 \label{fig:04}
703 \end{figure}
704
705 The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
706 performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
707 Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
708 presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
709 of $40\%$ which is only around $24\%$ for the classical GMRES.
710
711 \subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
712 \ \\
713 \begin{table} [ht!]
714 \centering
715 \begin{tabular}{r c }
716  \hline
717  Grid Architecture & 4x8\\ %\hline
718  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\
719  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
720  \end{tabular}
721 \caption{Test conditions: Input matrix size impacts}
722 \label{tab:05}
723 \end{table}
724
725
726 \begin{figure} [ht!]
727 \centering
728 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
729 \caption{Problem size impacts on execution time}
730 \label{fig:05}
731 \end{figure}
732
733 In these experiments, the input matrix size  has been set from $N_{x} = N_{y}
734 = N_{z} = 40$ to $200$ side elements  that is from $40^{3} = 64.000$ to $200^{3}
735 = 8,000,000$  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
736 time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
737 But the interesting results are:
738 \begin{enumerate}
739   \item the drastic increase ($10$ times)  of the number of iterations needed to
740     reach the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
741     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}
742 \item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for $N_{x}=140$
743   compared with the Krylov multisplitting method.
744 \end{enumerate}
745
746 These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
747 targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
748 size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
749 grid 2x16 leading to the same conclusion.
750
751 \subsubsection{CPU Power impacts on performance}
752
753 \begin{table} [ht!]
754 \centering
755 \begin{tabular}{r c }
756  \hline
757  Grid architecture & 2x16\\ %\hline
758  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
759  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
760  \end{tabular}
761 \caption{Test conditions: CPU Power impacts}
762 \label{tab:06}
763 \end{table}
764
765 \begin{figure} [ht!]
766 \centering
767 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
768 \caption{CPU Power impacts on execution time}
769 \label{fig:06}
770 \end{figure}
771
772 Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
773 on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
774 from $1$ to $19$ GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
775 performance gain,  around $95\%$ for  both of the  two methods, after  adding more
776 powerful CPU.
777 \ \\
778 %\DL{il faut une conclusion sur ces tests : ils confirment les résultats déjà
779 %obtenus en grandeur réelle. Donc c'est une aide précieuse pour les dev. Pas
780 %besoin de déployer sur une archi réelle}
781
782 To conclude these series of experiments, with  SimGrid we have been able to make
783 many simulations  with many parameters  variations. Doing all  these experiments
784 with a real platform is most of  the time not possible. Moreover the behavior of
785 both GMRES and  Krylov multisplitting methods is in accordance  with larger real
786 executions on large scale supercomputer~\cite{couturier15}.
787
788
789 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
790
791 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
792 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
793 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
794 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
795 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
796
797 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
798 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
799 In  this case,  each  processor can  compute its  iteration  freely without  any
800 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
801 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
802 performance.
803
804 \RC{la phrase suivante est bizarre, je ne comprends pas pourquoi elle vient ici}
805 In this section, Simgrid simulator tool has been successfully used to show
806 the efficiency of  the multisplitting in asynchronous mode and  to find the best
807 combination of the grid resources (CPU,  Network, input matrix size, \ldots ) to
808 get    the   highest    \textit{"relative    gain"}   (exec\_time$_{GMRES}$    /
809 exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
810
811
812 The test conditions are summarized in the table~\ref{tab:07}: \\
813
814 \begin{table} [ht!]
815 \centering
816 \begin{tabular}{r c }
817  \hline
818  Grid Architecture & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
819  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
820    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
821    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
822  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
823  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
824  \end{tabular}
825 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs Krylov Multisplitting in asynchronous mode}
826 \label{tab:07}
827 \end{table}
828
829 Again,  comprehensive and  extensive tests  have been  conducted with  different
830 parameters as  the CPU power, the  network parameters (bandwidth and  latency)
831 and with different problem size. The  relative gains greater than $1$  between the
832 two algorithms have  been captured after  each step  of the test.   In
833 Table~\ref{tab:08}  are  reported the  best  grid  configurations allowing
834 the  multisplitting method to  be more than  $2.5$ times faster  than the
835 classical  GMRES.  These  experiments also  show the  relative tolerance  of the
836 multisplitting algorithm when using a low speed network as usually observed with
837 geographically distant clusters through the internet.
838
839 % use the same column width for the following three tables
840 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
841 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
842   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
843   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
844                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
845     \end{tabular}}
846
847
848 \begin{table}[!t]
849 \centering
850 %\begin{table}
851 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
852 %  \label{"Table 7"}
853  \begin{mytable}{11}
854     \hline
855     bandwidth (Mbit/s)
856     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
857     \hline
858     latency (ms)
859     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
860     \hline
861     power (GFlops)
862     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
863     \hline
864     size (N)
865     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
866     \hline
867     Precision
868     & \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}\\
869     \hline
870     Relative gain
871     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
872     \hline
873   \end{mytable}
874 %\end{table}
875  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
876  \label{tab:08}
877 \end{table}
878
879
880 \section{Conclusion}
881 CONCLUSION
882
883
884 %\section*{Acknowledgment}
885 \ack
886 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
887
888 \bibliographystyle{wileyj}
889 \bibliography{biblio}
890
891
892 \end{document}
893
894 %%% Local Variables:
895 %%% mode: latex
896 %%% TeX-master: t
897 %%% fill-column: 80
898 %%% ispell-local-dictionary: "american"
899 %%% End: