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Private GIT Repository
RCE : Correction parrtie expe
[rce2015.git] / paper.tex
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8 %T\kern-.1667em\lower.7ex\hbox{E}\kern-.125emX}}
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24 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
25 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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71
72
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 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.  
109 %% For each algorithm we have simulated
110 %% different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
111 %% execution time. 
112 %% 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.
113
114 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. 
115
116 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.
117
118 \end{abstract}
119
120 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
121 %performance}
122 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
123
124 \maketitle
125
126 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
127 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
128 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
129 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
130 complex parallel applications operating on a large amount of data.
131 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
132 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
133 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
134 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
135 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
136 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
137 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
138 code debugging, ability to obtain results quickly\dots{} In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
139
140 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
141 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
142 simple. It generally involves the division of the problem into  several
143 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
144 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
145 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
146 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
147 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
148 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
149 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a
150 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
151 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
152 neighbors. Both communications and computations are \textit{asynchronous}
153 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
154 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
155 that we detail in Section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of
156 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
157 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
158 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
159 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
160
161 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
162 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
163 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
164 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
165 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
166 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
167 parameter variation of the execution platform and of the application data can
168 lead to very different numbers of iterations to reach the convergence and so to
169 very different execution times. In this challenging context we think that the
170 use of a simulation tool can greatly leverage the possibility of testing various
171 platform scenarios.
172
173 The  {\bf main  contribution  of  this paper}  is  to show  that  the  use of  a
174 simulation tool (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real
175 parallel applications (i.e. large linear  system solvers) can help developers to
176 better tune their  applications for a given multi-core architecture.  To show the
177 validity of this approach we first compare the simulated execution of the Krylov
178 multisplitting  algorithm   with  the   GMRES  (Generalized   Minimal  RESidual)
179 solver~\cite{saad86} in  synchronous mode.  The simulation  results allow  us to
180 determine  which method  to choose  for a given multi-core  architecture.
181 Moreover the  obtained results  on different simulated  multi-core architectures
182 confirm the  real results  previously obtained  on non  simulated architectures.
183 More precisely the simulated results are in accordance (i.e. with the same order
184 of magnitude)  with the works  presented in~\cite{couturier15}, which  show that
185 the synchronous  Krylov multisplitting method  is more efficient  than GMRES  for large
186 scale  clusters.   Simulated   results  also  confirm  the   efficiency  of  the
187 asynchronous  multisplitting   algorithm  compared  to  the   synchronous  GMRES
188 especially in case of geographically distant clusters.
189
190 In this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
191 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
192 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
193 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
194 asynchronous iterative application.
195
196 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
197 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
198 Section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
199 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
200 experimental results are presented in Section~\ref{sec:expe} followed by some
201 concluding remarks and perspectives.
202
203
204 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
205 \label{sec:asynchro}
206
207 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoretically and
208 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
209 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
210 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
211 asynchronous iteration  methods can be used  to solve, for example,  linear and
212 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
213 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
214
215 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
216 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
217 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
218 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
219 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
220 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
221 one, they are not.  It should be noticed that non-blocking communications can be
222 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
223 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
224 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
225 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
226 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
227
228 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
229 for the asynchronous scheme (this number depends on  the delay of the
230 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
231 number of iterations is the same than in the sequential mode. In this way, the
232 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
233 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency,~\ldots) and  of  the
234 application can drastically change the number of iterations required to get the
235 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
236 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
237 architectures are often very important. So, prior to deployment and tests it
238 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
239 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produced
240 by simulation are in accordance with reality i.e. of the same order of
241 magnitude. To our knowledge, there is no study on this problematic.
242
243 \section{SimGrid}
244 \label{sec:simgrid}
245 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.
246
247 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
248 % SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}
249 % is a simulation framework to study the behavior of large-scale distributed
250 % systems.  As its name suggests, it emanates from the grid computing community,
251 % but is nowadays used to study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The
252 % early versions of SimGrid date back from 1999, but it is still actively
253 % developed and distributed as an open source software.  Today, it is one of the
254 % major generic tools in the field of simulation for large-scale distributed
255 % systems.
256
257 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
258 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
259 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
260 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
261 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work described in
262 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
263 standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
264 applications written in C or Fortran, with little or no modifications (cf Section IV - paragraph B).
265
266 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
267 single process.  The application code is really executed, but some operations,
268 like communications, are intercepted, and their running time is computed
269 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
270 description of this target platform is given as an input for the execution, by
271 means of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
272 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
273 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
274 simulated processes, as well as the simulated running time of the application
275 are computed according to these properties.
276
277 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
278 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
279 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows users to run relatively fast
280 simulations, while still keeping accurate
281 results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
282   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
283 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
284 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
285 skipped, but the results are unimportant for the simulation results, it is
286 also possible to share dynamically allocated data structures between
287 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
288 These two techniques can help to run simulations on a very large scale.
289
290 The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
291 See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
292 referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
293 real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
294 SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
295   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
296   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
297 SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
298 applications.
299 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
300
301 \section{Two-stage multisplitting methods}
302 \label{sec:04}
303 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
304 \label{sec:04.01}
305 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 $\mathbb{R}$:
306 \begin{equation}
307 Ax=b,
308 \label{eq:01}
309 \end{equation}
310 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:
311 \begin{equation}
312 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
313 \label{eq:02}
314 \end{equation}
315 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:
316 \begin{equation}
317 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
318 \label{eq:03}
319 \end{equation}
320 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}.
321
322 \begin{figure}[t]
323 %\begin{algorithm}[t]
324 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
325 \begin{algorithmic}[1]
326   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
327   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
328   \State Set the initial guess $x^0$
329   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
330     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
331     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
332     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
333     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
334   \EndFor
335 \end{algorithmic}
336 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
337 \label{alg:01}
338 %\end{algorithm}
339 \end{figure}
340
341 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:
342 \begin{equation}
343 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
344 \label{eq:04}
345 \end{equation}
346 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
347
348 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:
349 \begin{equation}
350 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
351 \label{eq:05}
352 \end{equation}
353 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
354 \begin{equation}
355 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
356 \label{eq:06}
357 \end{equation}
358 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}).
359
360 \begin{figure}[t]
361 %\begin{algorithm}[t]
362 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
363 \begin{algorithmic}[1]
364   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
365   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
366   \State Set the initial guess $x^0$
367   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
368     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
369     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
370     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
371     \If{$k\mod s = 0$}
372        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
373        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
374        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
375        \Else
376          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
377     \EndIf
378     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
379   \EndFor
380 \end{algorithmic}
381 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
382 \label{alg:02}
383 %\end{algorithm}
384 \end{figure}
385
386 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
387 \label{sec:04.02}
388
389 One of our objectives when simulating the  application in SimGrid is, as in real
390 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
391 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
392 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the SimGrid
393 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
394 libraries  and related  header files  (\verb+smpi.h+).  The  second modification  is to
395 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
396 SimGrid selector       called      "runtime       automatic      switching"
397 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
398 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
399 SimGrid  to simulate the  grid environment.
400
401 \paragraph{Parameters of the simulation in SimGrid}
402 \  \\ \noindent  Before running  a SimGrid  benchmark, many  parameters for  the
403 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
404 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
405 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
406
407 \begin{itemize}
408         \item hostfile: hosts description file.
409         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
410 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth $bw$,
411 latency $lat$, \dots{}).
412         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
413 nodes/processors in each cluster).
414 \end{itemize}
415 \noindent
416 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
417
418 \begin{itemize}
419         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
420         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
421         \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}),
422         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous experiments and $6.2$ for asynchronous ones,
423         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
424         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
425         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
426         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
427         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
428         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
429 \end{itemize}
430
431 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.
432
433 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
434 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
435
436 \section{Experimental results}
437 \label{sec:expe}
438
439 In this section, experiments for both multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
440
441 \subsection{The 3D Poisson problem}
442 \label{3dpoisson}
443
444
445 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:
446 \begin{equation}
447 \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
448 \label{eq:07}
449 \end{equation}
450 such that:
451 \begin{equation*}
452 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
453 \end{equation*}
454 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:
455 \begin{equation}
456 \begin{array}{ll}
457 \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))
458 \end{array}
459 \label{eq:08}
460 \end{equation}
461 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
462
463 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.
464
465 \subsection{Study setup and simulation methodology}
466
467 First, to conduct our study, we propose the following methodology
468 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
469
470 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
471 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
472 have been chosen for the study in this paper. \\
473
474 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
475 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
476 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the multisplitting
477 method. In addition, the SimGrid simulator has been chosen to simulate the
478 behaviors of the distributed applications. SimGrid is running in a virtual
479 machine on a simple laptop. \\
480
481 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
482 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
483 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
484 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
485
486 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
487 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architectures
488 have been configured in SimGrid : 2$\times$16, 4$\times$8, 4$\times$16, 8$\times$8 and 2$\times$50. The first number
489 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
490 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network has been
491 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
492 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
493 (resp.  inter-clusters backbone links). \\
494
495 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
496 within these configurations by varying the key parameters, especially
497 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
498 input data.  \\
499
500 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
501
502 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in a grid environment}
503
504 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
505 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
506 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
507 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
508 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
509 increase.
510
511 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
512 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
513 the program output results:
514 \begin{enumerate}
515 \item  the network  bandwidth  ($bw$ in bits/s) also  known  as "the  data-carrying
516     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
517     from one point to another in a unit of time.
518 \item the  network latency  ($lat$ in microseconds) defined as  the delay  from the
519   start time to send  a simple data from a source to a destination.
520 \end{enumerate}
521 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
522 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
523
524  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
525  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and
526  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
527  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.
528  The intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a
529  high bandwidth and very low latency. In opposite, the inter-network connects
530  clusters sometime via  heterogeneous networks components  through internet with
531  a lower speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck
532  for  the global performance of the application.
533
534 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov Multisplitting algorithms in synchronous mode}
535
536 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
537 Multisplitting  method   has  better  performance  than   the  classical  GMRES
538 method. With a synchronous  iterative method, better performance means a
539 smaller number of iterations and execution time before reaching the convergence.
540 For a systematic study,  the experiments  should figure  out  that, for  various
541 grid  parameters values, the simulator will confirm  the targeted outcomes,
542 particularly for poor and slow  networks, focusing on the  impact on the
543 communication  performance on the chosen class of algorithm.
544
545 The following paragraphs present the test conditions, the output results
546 and our comments.\\
547
548
549 \subsubsection{Execution of the algorithms on various computational grid
550 architectures and scaling up the input matrix size}
551 \ \\
552 % environment
553
554 \begin{table} [ht!]
555 \begin{center}
556 \begin{tabular}{r c }
557  \hline
558  Grid Architecture & 2 $\times$ 16, 4 $\times$ 8, 4 $\times$ 16 and 8 $\times$ 8\\ %\hline
559  Inter Network N2 & bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
560  Input matrix size & N$_{x}$ $\times$ N$_{y}$ $\times$ N$_{z}$ =150 $\times$ 150 $\times$ 150\\ %\hline
561  - &  N$_{x}$ $\times$ N$_{y}$ $\times$ N$_{z}$  =170 $\times$ 170 $\times$ 170    \\ \hline
562  \end{tabular}
563 \caption{Test conditions: various grid configurations with the input matrix size N$_{x}$=N$_{y}$=N$_{z}$=150 or 170 \RC{N2 n'est pas défini..}\RC{Nx est défini, Ny? Nz?}
564 \AG{La lettre 'x' n'est pas le symbole de la multiplication. Utiliser \texttt{\textbackslash times}.  Idem dans le texte, les figures, etc.}}
565 \label{tab:01}
566 \end{center}
567 \end{table}
568
569
570
571
572
573 In this  section, we analyze the  performance of algorithms running  on various
574 grid configurations  (2 $\times$ 16, 4 $\times$ 8, 4 $\times$ 16  and 8 $\times$ 8) and using an inter-network N2 defined in the test conditions in Table~\ref{tab:01}. First,  the results in  Figure~\ref{fig:01}
575 show for all grid configurations the non-variation of the number of iterations of
576 classical  GMRES for  a given  input matrix  size; it is not  the case  for the
577 multisplitting method.
578
579 %\RC{CE attention tu n'as pas mis de label dans tes figures, donc c'est le bordel, j'en mets mais vérifie...}
580 %\RC{Les légendes ne sont pas explicites...}
581
582
583 \begin{figure} [ht!]
584   \begin{center}
585     \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
586   \end{center}
587   \caption{Various grid configurations with the input matrix size $N_{x}=150$ and $N_{x}=170$\RC{idem}
588 \AG{Utiliser le point comme séparateur décimal et non la virgule.  Idem dans les autres figures.}}
589   \label{fig:01}
590 \end{figure}
591
592
593 Secondly, the execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
594 grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2 $\times$ 16
595 and  4 $\times$ 8). We  can  observ  the sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
596 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
597 in the  grid: in  average, the reduction of the execution time for GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm is around $40\%$ (resp. around $48\%$) when running from 32 (grid 2 $\times$ 16) to 64 processors (grid 8 $\times$ 8) processors. \RC{pas très clair, c'est pas précis de dire qu'un algo perform mieux qu'un autre, selon quel critère?}
598
599 \subsubsection{Running on two different inter-clusters network speeds \\}
600
601 \begin{table} [ht!]
602 \begin{center}
603 \begin{tabular}{r c }
604  \hline
605  Grid Architecture & 2 $\times$ 16, 4 $\times$ 8\\ %\hline
606  Inter Networks & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
607  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
608  Input matrix size & $N_{x} \times N_{y} \times N_{z} =150 \times 150 \times 150$\\ \hline
609  \end{tabular}
610 \caption{Test conditions: grid 2 $\times$ 16 and 4 $\times$ 8 with  networks N1 vs N2}
611 \label{tab:02}
612 \end{center}
613 \end{table}
614
615 In this section, the experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running on a
616 speeder inter-cluster  network (N1) and  also on  a less performant  network (N2) respectively defined in the test conditions Table~\ref{tab:02}. \RC{Il faut définir cela avant...}
617 Figure~\ref{fig:02} shows that end users will reduce the execution time
618 for  both  algorithms when using  a  grid  architecture  like  4 $\times$ 16 or  8 $\times$ 8: the reduction is about $2$. The results depict  also that when
619 the  network speed  drops down (variation of 12.5\%), the  difference between  the two Multisplitting algorithms execution times can reach more than 25\%.
620
621
622
623 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
624 \begin{figure} [ht!]
625 \centering
626 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
627 \caption{Grid 2 $\times$ 16 and 4 $\times$ 8 with networks N1 vs N2
628 \AG{\np{8E-6}, \np{5E-6} au lieu de 8E-6, 5E-6}}
629 \label{fig:02}
630 \end{figure}
631 %\end{wrapfigure}
632
633
634 \subsubsection{Network latency impacts on performance}
635 \ \\
636 \begin{table} [ht!]
637 \centering
638 \begin{tabular}{r c }
639  \hline
640  Grid Architecture & 2 $\times$ 16\\ %\hline
641  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
642  Input matrix size & $N_{x} \times N_{y} \times N_{z} = 150 \times 150 \times 150$\\ \hline
643  \end{tabular}
644 \caption{Test conditions: network latency impacts}
645 \label{tab:03}
646 \end{table}
647
648
649
650 \begin{figure} [ht!]
651 \centering
652 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
653 \caption{Network latency impacts on execution time
654 \AG{\np{E-6}}}
655 \label{fig:03}
656 \end{figure}
657
658
659 According to  the results of  Figure~\ref{fig:03}, a degradation of  the network
660 latency from  $8.10^{-6}$ to  $6.10^{-5}$ implies an  absolute time  increase of
661 more  than $75\%$  (resp.  $82\%$)  of the  execution  for  the classical  GMRES
662 (resp.  Krylov multisplitting)  algorithm.   In addition,  it  appears that  the
663 Krylov multisplitting method tolerates more the network latency variation with a
664 less  rate increase  of  the  execution time.\RC{Les  2  précédentes phrases  me
665   semblent en contradiction....}  Consequently, in the worst case ($lat=6.10^{-5
666 }$), the  execution time for  GMRES is  almost the double  than the time  of the
667 Krylov multisplitting,  even though, the  performance was  on the same  order of
668 magnitude with a latency of $8.10^{-6}$.
669
670 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
671 \ \\
672 \begin{table} [ht!]
673 \centering
674 \begin{tabular}{r c }
675  \hline
676  Grid Architecture & 2 $\times$ 16\\ %\hline
677  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
678  Input matrix size & $N_{x} \times N_{y} \times N_{z} =150 \times 150 \times 150$\\ \hline \\
679  \end{tabular}
680 \caption{Test conditions: Network bandwidth impacts\RC{Qu'est ce qui varie ici? Il n'y a pas de variation dans le tableau}}
681 \label{tab:04}
682 \end{table}
683
684
685 \begin{figure} [ht!]
686 \centering
687 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
688 \caption{Network bandwith impacts on execution time
689 \AG{``Execution time'' avec un 't' minuscule}. Idem autres figures.}
690 \label{fig:04}
691 \end{figure}
692
693 The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
694 performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
695 Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
696 presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
697 of $40\%$ which is only around $24\%$ for the classical GMRES.
698
699 \subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
700 \ \\
701 \begin{table} [ht!]
702 \centering
703 \begin{tabular}{r c }
704  \hline
705  Grid Architecture & 4 $\times$ 8\\ %\hline
706  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\
707  Input matrix size & $N_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
708  \end{tabular}
709 \caption{Test conditions: Input matrix size impacts}
710 \label{tab:05}
711 \end{table}
712
713
714 \begin{figure} [ht!]
715 \centering
716 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
717 \caption{Problem size impacts on execution time}
718 \label{fig:05}
719 \end{figure}
720
721 In these experiments, the input matrix size  has been set from $N_{x} = N_{y}
722 = N_{z} = 40$ to $200$ side elements  that is from $40^{3} = 64.000$ to $200^{3}
723 = 8,000,000$  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
724 time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
725 But the interesting results are:
726 \begin{enumerate}
727   \item the drastic increase ($10$ times)  of the number of iterations needed to
728     reach the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
729     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}
730 \item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for $N_{x}=140$
731   compared with the Krylov multisplitting method.
732 \end{enumerate}
733
734 These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
735 targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
736 size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
737 grid 2 $\times$ 16 leading to the same conclusion.
738
739 \subsubsection{CPU Power impacts on performance}
740
741 \begin{table} [ht!]
742 \centering
743 \begin{tabular}{r c }
744  \hline
745  Grid architecture & 2 $\times$ 16\\ %\hline
746  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
747  Input matrix size & $N_{x} = 150 \times 150 \times 150$\\ \hline
748  \end{tabular}
749 \caption{Test conditions: CPU Power impacts}
750 \label{tab:06}
751 \end{table}
752
753 \begin{figure} [ht!]
754 \centering
755 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
756 \caption{CPU Power impacts on execution time}
757 \label{fig:06}
758 \end{figure}
759
760 Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
761 on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
762 from $1$ to $19$ GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
763 performance gain,  around $95\%$ for  both of the  two methods, after  adding more
764 powerful CPU.
765 \ \\
766 %\DL{il faut une conclusion sur ces tests : ils confirment les résultats déjà
767 %obtenus en grandeur réelle. Donc c'est une aide précieuse pour les dev. Pas
768 %besoin de déployer sur une archi réelle}
769
770 To conclude these series of experiments, with  SimGrid we have been able to make
771 many simulations  with many parameters  variations. Doing all  these experiments
772 with a real platform is most of  the time not possible. Moreover the behavior of
773 both GMRES and  Krylov multisplitting methods is in accordance  with larger real
774 executions on large scale supercomputer~\cite{couturier15}.
775
776
777 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
778
779 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
780 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
781 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
782 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
783 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
784
785 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
786 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
787 In  this case,  each  processor can  compute its  iteration  freely without  any
788 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
789 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
790 performance.
791
792 \RC{la phrase suivante est bizarre, je ne comprends pas pourquoi elle vient ici}
793 In this section, Simgrid simulator tool has been successfully used to show
794 the efficiency of  the multisplitting in asynchronous mode and  to find the best
795 combination of the grid resources (CPU,  Network, input matrix size, \ldots ) to
796 get    the   highest    \textit{"relative    gain"}   (exec\_time$_{GMRES}$    /
797 exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
798
799
800 The test conditions are summarized in the table~\ref{tab:07}: \\
801
802 \begin{table} [ht!]
803 \centering
804 \begin{tabular}{r c }
805  \hline
806  Grid Architecture & 2 $\times$ 50 totaling 100 processors\\ %\hline
807  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
808    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
809    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
810  Input matrix size & $N_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
811  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
812  \end{tabular}
813 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs Krylov Multisplitting in asynchronous mode}
814 \label{tab:07}
815 \end{table}
816
817 Again,  comprehensive and  extensive tests  have been  conducted with  different
818 parameters as  the CPU power, the  network parameters (bandwidth and  latency)
819 and with different problem size. The  relative gains greater than $1$  between the
820 two algorithms have  been captured after  each step  of the test.   In
821 Table~\ref{tab:08}  are  reported the  best  grid  configurations allowing
822 the  multisplitting method to  be more than  $2.5$ times faster  than the
823 classical  GMRES.  These  experiments also  show the  relative tolerance  of the
824 multisplitting algorithm when using a low speed network as usually observed with
825 geographically distant clusters through the internet.
826
827 % use the same column width for the following three tables
828 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
829 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
830   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
831   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
832                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
833     \end{tabular}}
834
835
836 \begin{table}[!t]
837 \centering
838 %\begin{table}
839 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
840 %  \label{"Table 7"}
841  \begin{mytable}{11}
842     \hline
843     bandwidth (Mbit/s)
844     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
845     \hline
846     latency (ms)
847     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
848     \hline
849     power (GFlops)
850     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
851     \hline
852     size (N)
853     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
854     \hline
855     Precision
856     & \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}\\
857     \hline
858     Relative gain
859     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
860     \hline
861   \end{mytable}
862 %\end{table}
863  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
864  \label{tab:08}
865 \end{table}
866
867
868 \section{Conclusion}
869
870 In this paper we have presented the simulation of the execution of three
871 different parallel solvers on some multi-core architectures. We have show that
872 the SimGrid toolkit is an interesting simulation tool that has allowed us to
873 determine  which method  to choose  given a  specified multi-core  architecture.
874 Moreover the simulated results are in accordance (i.e. with the same order of
875 magnitude)  with the works  presented in~\cite{couturier15}. Simulated   results
876 also  confirm  the   efficiency  of  the asynchronous  multisplitting
877 algorithm  compared  to  the   synchronous  GMRES especially in case of
878 geographically distant clusters.
879
880 These results are important since it is very  time consuming to find optimal
881 configuration  and deployment requirements for a given application  on   a given
882 multi-core  architecture. Finding   good  resource allocations policies under
883 varying CPU power, network speeds and  loads is very challenging and  labor
884 intensive. This problematic is  even more difficult  for the  asynchronous
885 scheme where  a small parameter variation of the execution platform and of the
886 application data can lead to very different numbers of iterations to reach the
887 converge and so to very different execution times.
888
889
890 In future works, we  plan to investigate how to simulate  the behavior of really
891 large scale  applications. For  example, if  we are  interested to  simulate the
892 execution of the solvers of this paper with thousand or even dozens of thousands
893 or core,  it is not possible  to do that with  SimGrid. In fact, this  tool will
894 make the real computation. So we plan to focus our research on that problematic.
895
896
897
898 %\section*{Acknowledgment}
899 \ack
900 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
901
902 \bibliographystyle{wileyj}
903 \bibliography{biblio}
904
905
906 \end{document}
907
908 %%% Local Variables:
909 %%% mode: latex
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913 %%% End: