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