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[rce2015.git] / paper.tex
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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 developpers to better tune their applications for a given multi-core
106 architecture.
107
108 In particular we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
109 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
110 These algorithms  are used to  solve linear  systems. Two different  variants of
111 the Multisplitting are studied: one  using synchronoous  iterations and  another
112 one  with asynchronous iterations. For each algorithm we have simulated
113 different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
114 execution time.  The obtain simulated results confirm the real results
115 previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm
116 the efficiency of the asynchronous multisplitting algorithm compared to the
117 synchronous GMRES method.
118
119 \end{abstract}
120
121 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
122 %performance}
123 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
124
125 \maketitle
126
127 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
128 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
129 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
130 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
131 complex parallel applications operating on a large amount of data.
132 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
133 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
134 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
135 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
136 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
137 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
138 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
139 code debugging, ability to obtain results quickly\dots{} In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
140
141 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
142 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
143 simple. It generally involves the division of the problem into  several
144 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
145 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
146 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
147 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
148 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
149 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
150 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a
151 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
152 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
153 neighbors. Both communication and computations are \textit{asynchronous}
154 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
155 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
156 that we detail in section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of
157 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
158 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
159 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
160 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
161
162 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
163 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
164 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
165 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
166 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
167 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
168 parameter variation of the execution platform and of the application data can
169 lead to very different numbers of iterations to reach the converge and so to
170 very different execution times. In this challenging context we think that the
171 use of a simulation tool can greatly leverage the possibility of testing various
172 platform scenarios.
173
174 The main contribution of this paper is to show that the use of a simulation tool
175 (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real  parallel
176 applications (i.e. large linear system solvers) can help developers to better
177 tune their application for a given multi-core architecture. To show the validity
178 of this approach we first compare the simulated execution of the multisplitting
179 algorithm  with  the  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual)
180 solver~\cite{saad86} in synchronous mode. The simulation results allow us to
181 determine which method to choose given a specified multi-core architecture.
182
183 \LZK{Pas trop convainquant comme argument pour valider l'approche de simulation. \\On peut dire par exemple: on a pu simuler différents algos itératifs à large échelle (le plus connu GMRES et deux variantes de multisplitting) et la simulation nous a permis (sans avoir le vrai matériel) de déterminer quelle serait la meilleure solution pour une telle configuration de l'archi ou vice versa.\\A revoir...}
184 \DL{OK : ajout d'une phrase précisant tout cela}
185
186 Moreover the obtained results on different simulated multi-core architectures
187 confirm the real results previously obtained on non simulated architectures.
188 More precisely the simulated results are in accordance (i.e. with the same order
189 of magnitude) with the works presented in~\cite{couturier15}, which show that the synchronous
190 multisplitting method is more efficient than GMRES for large scale clusters.
191
192 \LZK{Il n y a pas dans la partie expé cette comparaison et confirmation des
193 résultats entre la simulation et l'exécution réelle des algos sur les vrais
194 clusters.\\ Sinon on pourrait ajouter dans la partie expé une référence vers le
195 journal supercomput de krylov multi pour confirmer que cette méthode est
196 meilleure que GMRES sur les clusters large échelle.} \DL{OK ajout d'une phrase.
197 Par contre je n'ai pas la ref. Merci de la mettre}
198
199 Simulated results  also confirm  the efficiency  of the asynchronous
200 multisplitting algorithm compared to the synchronous GMRES especially in case of
201 geographically distant clusters.
202
203 \LZK{P.S.: Pour tout le papier, le principal objectif n'est pas de faire des comparaisons entre des méthodes itératives!!\\Sinon, les deux algorithmes Krylov multisplitting synchrone et multisplitting asynchrone sont plus efficaces que GMRES sur des clusters à large échelle.\\Et préciser, si c'est vraiment le cas, que le multisplitting asynchrone est plus efficace et adapté aux clusters distants par rapport aux deux autres algos (je n'ai pas encore lu la partie expé)}
204 \DL{Tu as raison on s'est posé la question de garder ou non cette partie des résultats. On a décidé de la garder pour avoir plus de chose à montrer. J'ai essayer de clarifier un peu}
205
206 In
207 this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
208 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
209 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
210 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
211 asynchronous iterative application.
212
213 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
214 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
215 section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
216 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
217 experimental results are presented in section~\ref{sec:expe} followed by some
218 concluding remarks and perspectives.
219
220 \LZK{Proposition d'un titre pour le papier: Grid-enabled simulation of large-scale linear iterative solvers.}
221
222
223 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
224 \label{sec:asynchro}
225
226 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoritecally and
227 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
228 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
229 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
230 asynchronous iterations  methods can be used  to solve, for example,  linear and
231 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
232 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
233
234 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
235 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
236 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
237 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
238 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
239 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
240 one, they are not.  It should be noticed that non blocking communications can be
241 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
242 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
243 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
244 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
245 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
246
247 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
248 for the asynchronous scheme (this number depends depends on  the delay of the
249 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
250 number of iterations is the same than in the sequential mode. In this way, the
251 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
252 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency, \ldots) and  of  the
253 application can drastically change the number of iterations required to get the
254 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
255 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
256 architecture are often very important. So, prior to delpoyment and tests it
257 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
258 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produce
259 by simulation are in accordance with reality i.e. of the same order of
260 magnitude. To our knowledge, there is no study on this problematic.
261
262 \section{SimGrid}
263 \label{sec:simgrid}
264 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.
265
266 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
267 % SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}
268 % is a simulation framework to study the behavior of large-scale distributed
269 % systems.  As its name suggests, it emanates from the grid computing community,
270 % but is nowadays used to study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The
271 % early versions of SimGrid date back from 1999, but it is still actively
272 % developed and distributed as an open source software.  Today, it is one of the
273 % major generic tools in the field of simulation for large-scale distributed
274 % systems.
275
276 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
277 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
278 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
279 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
280 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work described in
281 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
282 standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
283 applications written in C or Fortran, with little or no modifications (cf Section IV - paragraph B).
284
285 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
286 single process.  The application code is really executed, but some operations,
287 like communications, are intercepted, and their running time is computed
288 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
289 description of this target platform is given as an input for the execution, by
290 means of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
291 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
292 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
293 simulated processes, as well as the simulated running time of the application
294 are computed according to these properties.
295
296 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
297 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
298 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows users to run relatively fast
299 simulations, while still keeping accurate
300 results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
301   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
302 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
303 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
304 skipped, but the results are unimportant for the simulation results, it is
305 also possible to share dynamically allocated data structures between
306 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
307 These two techniques can help to run simulations on a very large scale.
308
309 The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
310 See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
311 referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
312 real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
313 SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
314   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
315   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
316 SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
317 applications.
318 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
319
320 \section{Two-stage multisplitting methods}
321 \label{sec:04}
322 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
323 \label{sec:04.01}
324 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 $\mathbb{R}$:
325 \begin{equation}
326 Ax=b,
327 \label{eq:01}
328 \end{equation}
329 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:
330 \begin{equation}
331 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
332 \label{eq:02}
333 \end{equation}
334 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:
335 \begin{equation}
336 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
337 \label{eq:03}
338 \end{equation}
339 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}.
340
341 \begin{figure}[t]
342 %\begin{algorithm}[t]
343 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
344 \begin{algorithmic}[1]
345   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
346   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
347   \State Set the initial guess $x^0$
348   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
349     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
350     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
351     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
352     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
353   \EndFor
354 \end{algorithmic}
355 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
356 \label{alg:01}
357 %\end{algorithm}
358 \end{figure}
359
360 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:
361 \begin{equation}
362 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
363 \label{eq:04}
364 \end{equation}
365 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
366
367 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:
368 \begin{equation}
369 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
370 \label{eq:05}
371 \end{equation}
372 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
373 \begin{equation}
374 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
375 \label{eq:06}
376 \end{equation}
377 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}).
378
379 \begin{figure}[t]
380 %\begin{algorithm}[t]
381 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
382 \begin{algorithmic}[1]
383   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
384   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
385   \State Set the initial guess $x^0$
386   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
387     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
388     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
389     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
390     \If{$k\mod s = 0$}
391        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
392        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
393        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
394        \Else
395          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
396     \EndIf
397     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
398   \EndFor
399 \end{algorithmic}
400 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
401 \label{alg:02}
402 %\end{algorithm}
403 \end{figure}
404
405 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
406 \label{sec:04.02}
407
408 One of our objectives when simulating the  application in Simgrid is, as in real
409 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
410 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
411 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the Simgrid
412 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
413 libraries  and related  header files  (smpi.h).  The  second modification  is to
414 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
415 Simgrid      selector       called      "runtime       automatic      switching"
416 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
417 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
418 Simgrid  to simulate the  grid environment.
419
420 %\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
421 %last modification on the  MPI program pointed out for some  cases, the review of
422 %the sequence of  the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and  MPI\_Waitall instructions which
423 %might cause an infinite loop.
424
425
426 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
427 \  \\ \noindent  Before running  a Simgrid  benchmark, many  parameters for  the
428 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
429 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
430 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
431
432 \begin{itemize}
433         \item hostfile: hosts description file.
434         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
435 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
436 latency lat, \dots{}).
437         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
438 nodes/processors for each cluster).
439 \end{itemize}
440 \noindent
441 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
442
443 \begin{itemize}
444         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
445         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
446         \item matrix sizes of the 3D Poisson problem: N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$ on axis $x$, $y$ and $z$ respectively,
447         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous Krylov multisplitting experiments and $6.2$ for asynchronous block Jacobi experiments,
448         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
449         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
450         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
451         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
452         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
453         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
454 \end{itemize}
455
456 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.
457
458 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
459 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
460
461 \section{Experimental Results}
462 \label{sec:expe}
463
464 In this section, experiments for both Multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
465
466 \subsection{The 3D Poisson problem}
467
468
469 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:
470 \begin{equation}
471 \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
472 \label{eq:07}
473 \end{equation}
474 such that:
475 \begin{equation*}
476 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
477 \end{equation*}
478 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:
479 \begin{equation}
480 \begin{array}{ll}
481 \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))
482 \end{array}
483 \label{eq:08}
484 \end{equation}
485 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
486
487 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.
488
489 \subsection{Study setup and simulation methodology}
490
491 First, to conduct our study, we propose the following methodology
492 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
493
494 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
495 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
496 have been chosen for the study in this paper. \\
497
498 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
499 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
500 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the Multisplitting
501 method. In addition, the Simgrid simulator has been chosen to simulate the
502 behaviors of the distributed applications. Simgrid is running in a virtual
503 machine on a simple laptop. \\
504
505 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
506 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
507 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
508 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
509
510 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
511 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architecture
512 has been configured in Simgrid : 2x16, 4x8, 4x16, 8x8 and 2x50. The first number
513 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
514 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network  has been
515 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
516 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
517 (resp.  inter-clusters backbone links). \\
518
519 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
520 within these configurations by varying the key parameters, especially
521 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
522 input data.  \\
523
524 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
525
526 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
527 a grid environment}
528
529 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
530 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
531 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
532 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
533 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
534 increase.
535
536 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
537 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
538 the program output results:
539 \begin{enumerate}
540 \item  the network  bandwidth  (bw=bits/s) also  known  as "the  data-carrying
541     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
542     from one point to another in a unit of time.
543 \item the  network latency  (lat :  microsecond) defined as  the delay  from the
544   start time to send  a simple data from a source to a destination.
545 \end{enumerate}
546 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
547 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
548
549  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
550  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and
551  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
552  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.
553  The intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a
554  high bandwith and very low latency. In opposite, the inter-network connects
555  clusters sometime via  heterogeneous networks components  throuth internet with
556  a lower speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck
557  for  the global performance of the application.
558
559 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov Multisplitting algorithms in synchronous mode}
560
561 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
562 Multisplitting  method   has  better  performance  than   the  classical  GMRES
563 method. With a synchronous  iterative method, better performance means a
564 smaller number of iterations and execution time before reaching the convergence.
565 For a systematic study,  the experiments  should figure  out  that, for  various
566 grid  parameters values, the simulator will confirm  the targeted outcomes,
567 particularly for poor and slow  networks, focusing on the  impact on the
568 communication  performance on the chosen class of algorithm.
569
570 The following paragraphs present the test conditions, the output results
571 and our comments.\\
572
573
574 \subsubsection{Execution of the algorithms on various computational grid
575 architectures and scaling up the input matrix size}
576 \ \\
577 % environment
578
579 \begin{table} [ht!]
580 \begin{center}
581 \begin{tabular}{r c }
582  \hline
583  Grid Architecture & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
584  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
585  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
586  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
587  \end{tabular}
588 \caption{Test conditions: various grid configurations with the input matix size N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \RC{N2 n'est pas défini..}\RC{Nx est défini, Ny? Nz?}
589 \AG{La lettre 'x' n'est pas le symbole de la multiplication. Utiliser \texttt{\textbackslash times}.  Idem dans le texte, les figures, etc.}}
590 \label{tab:01}
591 \end{center}
592 \end{table}
593
594
595
596
597
598 In this  section, we analyze the  performance of algorithms running  on various
599 grid configurations  (2x16, 4x8, 4x16  and 8x8). First,  the results in  Figure~\ref{fig:01}
600 show for all grid configurations the non-variation of the number of iterations of
601 classical  GMRES for  a given  input matrix  size; it is not  the case  for the
602 multisplitting method.
603
604 \RC{CE attention tu n'as pas mis de label dans tes figures, donc c'est le bordel, j'en mets mais vérifie...}
605 \RC{Les légendes ne sont pas explicites...}
606
607
608 \begin{figure} [ht!]
609   \begin{center}
610     \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
611   \end{center}
612   \caption{Various grid configurations with the input matrix size N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170\RC{idem}
613 \AG{Utiliser le point comme séparateur décimal et non la virgule.  Idem dans les autres figures.}}
614   \label{fig:01}
615 \end{figure}
616
617
618 The execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
619 grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2x16
620 and  4x8). We  can  observ  the low  sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
621 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
622 in the  grid: in  average, the GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm performs
623 $40\%$ better (resp. $48\%$) when running from 2x16=32 to 8x8=64 processors. \RC{pas très clair, c'est pas précis de dire qu'un algo perform mieux qu'un autre, selon quel critère?}
624
625 \subsubsection{Running on two different inter-clusters network speeds \\}
626
627 \begin{table} [ht!]
628 \begin{center}
629 \begin{tabular}{r c }
630  \hline
631  Grid Architecture & 2x16, 4x8\\ %\hline
632  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
633  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
634  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
635  \end{tabular}
636 \caption{Test conditions: grid 2x16 and 4x8 with  networks N1 vs N2}
637 \label{tab:02}
638 \end{center}
639 \end{table}
640
641 These experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running first  on a
642 speed inter-cluster  network (N1) and  also on  a less performant  network (N2). \RC{Il faut définir cela avant...}
643 Figure~\ref{fig:02} shows that end users will reduce the execution time
644 for  both  algorithms when using  a  grid  architecture  like  4x16 or  8x8: the reduction is about $2$. The results depict  also that when
645 the  network speed  drops down (variation of 12.5\%), the  difference between  the two Multisplitting algorithms execution times can reach more than 25\%.
646 %\RC{c'est pas clair : la différence entre quoi et quoi?}
647 %\DL{pas clair}
648 %\RCE{Modifie}
649
650
651 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
652 \begin{figure} [ht!]
653 \centering
654 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
655 \caption{Grid 2x16 and 4x8 with networks N1 vs N2
656 \AG{\np{8E-6}, \np{5E-6} au lieu de 8E-6, 5E-6}}
657 \label{fig:02}
658 \end{figure}
659 %\end{wrapfigure}
660
661
662 \subsubsection{Network latency impacts on performance}
663 \ \\
664 \begin{table} [ht!]
665 \centering
666 \begin{tabular}{r c }
667  \hline
668  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
669  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
670  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
671  \end{tabular}
672 \caption{Test conditions: network latency impacts}
673 \label{tab:03}
674 \end{table}
675
676
677
678 \begin{figure} [ht!]
679 \centering
680 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
681 \caption{Network latency impacts on execution time
682 \AG{\np{E-6}}}
683 \label{fig:03}
684 \end{figure}
685
686
687 According to  the results of  Figure~\ref{fig:03}, a degradation of  the network
688 latency from  $8.10^{-6}$ to  $6.10^{-5}$ implies an  absolute time  increase of
689 more  than $75\%$  (resp.  $82\%$)  of the  execution  for  the classical  GMRES
690 (resp.  Krylov multisplitting)  algorithm.   In addition,  it  appears that  the
691 Krylov multisplitting method tolerates more the network latency variation with a
692 less  rate increase  of  the  execution time.\RC{Les  2  précédentes phrases  me
693   semblent en contradiction....}  Consequently, in the worst case ($lat=6.10^{-5
694 }$), the  execution time for  GMRES is  almost the double  than the time  of the
695 Krylov multisplitting,  even though, the  performance was  on the same  order of
696 magnitude with a latency of $8.10^{-6}$.
697
698 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
699 \ \\
700 \begin{table} [ht!]
701 \centering
702 \begin{tabular}{r c }
703  \hline
704  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
705  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
706  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
707  \end{tabular}
708 \caption{Test conditions: Network bandwidth impacts\RC{Qu'est ce qui varie ici? Il n'y a pas de variation dans le tableau}}
709 \label{tab:04}
710 \end{table}
711
712
713 \begin{figure} [ht!]
714 \centering
715 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
716 \caption{Network bandwith impacts on execution time
717 \AG{``Execution time'' avec un 't' minuscule}. Idem autres figures.}
718 \label{fig:04}
719 \end{figure}
720
721 The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
722 performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
723 Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
724 presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
725 of $40\%$ which is only around $24\%$ for the classical GMRES.
726
727 \subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
728 \ \\
729 \begin{table} [ht!]
730 \centering
731 \begin{tabular}{r c }
732  \hline
733  Grid Architecture & 4x8\\ %\hline
734  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\
735  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
736  \end{tabular}
737 \caption{Test conditions: Input matrix size impacts}
738 \label{tab:05}
739 \end{table}
740
741
742 \begin{figure} [ht!]
743 \centering
744 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
745 \caption{Problem size impacts on execution time}
746 \label{fig:05}
747 \end{figure}
748
749 In these experiments, the input matrix size  has been set from $N_{x} = N_{y}
750 = N_{z} = 40$ to $200$ side elements  that is from $40^{3} = 64.000$ to $200^{3}
751 = 8,000,000$  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
752 time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
753 But the interesting results are:
754 \begin{enumerate}
755   \item the drastic increase ($10$ times)  of the number of iterations needed to
756     reach the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
757     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}
758 \item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for $N_{x}=140$
759   compared with the Krylov multisplitting method.
760 \end{enumerate}
761
762 These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
763 targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
764 size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
765 grid 2x16 leading to the same conclusion.
766
767 \subsubsection{CPU Power impacts on performance}
768
769 \begin{table} [ht!]
770 \centering
771 \begin{tabular}{r c }
772  \hline
773  Grid architecture & 2x16\\ %\hline
774  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
775  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
776  \end{tabular}
777 \caption{Test conditions: CPU Power impacts}
778 \label{tab:06}
779 \end{table}
780
781 \begin{figure} [ht!]
782 \centering
783 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
784 \caption{CPU Power impacts on execution time}
785 \label{fig:06}
786 \end{figure}
787
788 Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
789 on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
790 from $1$ to $19$ GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
791 performance gain,  around $95\%$ for  both of the  two methods, after  adding more
792 powerful CPU.
793
794 \DL{il faut une conclusion sur ces tests : ils confirment les résultats déjà
795 obtenus en grandeur réelle. Donc c'est une aide précieuse pour les dev. Pas
796 besoin de déployer sur une archi réelle}
797
798
799 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
800
801 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
802 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
803 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
804 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
805 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
806
807 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
808 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
809 In  this case,  each  processor can  compute its  iteration  freely without  any
810 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
811 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
812 performance.
813
814 \RC{la phrase suivante est bizarre, je ne comprends pas pourquoi elle vient ici}
815 In this section, Simgrid simulator tool has been successfully used to show
816 the efficiency of  the multisplitting in asynchronous mode and  to find the best
817 combination of the grid resources (CPU,  Network, input matrix size, \ldots ) to
818 get    the   highest    \textit{"relative    gain"}   (exec\_time$_{GMRES}$    /
819 exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
820
821
822 The test conditions are summarized in the table~\ref{tab:07}: \\
823
824 \begin{table} [ht!]
825 \centering
826 \begin{tabular}{r c }
827  \hline
828  Grid Architecture & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
829  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
830    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
831    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
832  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
833  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
834  \end{tabular}
835 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs Krylov Multisplitting in asynchronous mode}
836 \label{tab:07}
837 \end{table}
838
839 Again,  comprehensive and  extensive tests  have been  conducted with  different
840 parameters as  the CPU power, the  network parameters (bandwidth and  latency)
841 and with different problem size. The  relative gains greater than $1$  between the
842 two algorithms have  been captured after  each step  of the test.   In
843 Figure~\ref{fig:07}  are  reported the  best  grid  configurations allowing
844 the  multisplitting method to  be more than  $2.5$ times faster  than the
845 classical  GMRES.  These  experiments also  show the  relative tolerance  of the
846 multisplitting algorithm when using a low speed network as usually observed with
847 geographically distant clusters through the internet.
848
849 % use the same column width for the following three tables
850 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
851 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
852   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
853   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
854                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
855     \end{tabular}}
856
857
858 \begin{figure}[!t]
859 \centering
860 %\begin{table}
861 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
862 %  \label{"Table 7"}
863  \begin{mytable}{11}
864     \hline
865     bandwidth (Mbit/s)
866     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
867     \hline
868     latency (ms)
869     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
870     \hline
871     power (GFlops)
872     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
873     \hline
874     size (N)
875     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
876     \hline
877     Precision
878     & \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}\\
879     \hline
880     Relative gain
881     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
882     \hline
883   \end{mytable}
884 %\end{table}
885  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES
886 \AG{C'est un tableau, pas une figure}}
887  \label{fig:07}
888 \end{figure}
889
890
891 \section{Conclusion}
892 CONCLUSION
893
894
895 %\section*{Acknowledgment}
896 \ack
897 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
898
899 \bibliographystyle{wileyj}
900 \bibliography{biblio}
901
902
903 \end{document}
904
905 %%% Local Variables:
906 %%% mode: latex
907 %%% TeX-master: t
908 %%% fill-column: 80
909 %%% ispell-local-dictionary: "american"
910 %%% End: