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25 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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70
71
72
73 \begin{document} \RCE{Titre a confirmer.} \title{Comparative performance
74 analysis of simulated grid-enabled numerical iterative algorithms}
75 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
76
77 \author{Charles Emile Ramamonjisoa\affil{1},
78     David Laiymani\affil{1},
79     Arnaud Giersch\affil{1},
80     Lilia Ziane Khodja\affil{2} and
81     Raphaël Couturier\affil{1}
82 }
83
84 \address{
85   \affilnum{1}%
86   Femto-ST Institute, DISC Department,
87   University of Franche-Comté,
88   Belfort, France.
89   Email:~\email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}\break
90   \affilnum{2}
91   Department of Aerospace \& Mechanical Engineering,
92   Non Linear Computational Mechanics,
93   University of Liege, Liege, Belgium.
94   Email:~\email{l.zianekhodja@ulg.ac.be}
95 }
96
97 \begin{abstract} The behavior of multi-core applications is always a challenge
98 to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been
99 performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build
100 accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation
101 tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
102 bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
103 applications. The main contribution of this paper is to show that the use of a
104 simulation tool (here we have decided to use the SimGrid toolkit) can really
105 help developers to better tune their applications for a given multi-core
106 architecture.
107
108 %In particular we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
109 %on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
110 %These algorithms  are used to  solve linear  systems. Two different  variants of
111 %the Multisplitting are studied: one  using synchronoous  iterations and  another
112 %one  with asynchronous iterations.
113 In this paper we focus our attention on the simulation of iterative algorithms to solve sparse linear systems on large clusters. We study the behavior of the widely used GMRES algorithm and two different variants of the Multisplitting algorithms: one using synchronous iterations and another one with asynchronous iterations.  
114 For each algorithm we have simulated
115 different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
116 execution time. 
117 %The obtain simulated results confirm the real results
118 %previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm
119 %the efficiency of the asynchronous Multisplitting algorithm compared to the
120 %synchronous GMRES method.
121 The simulations confirm the real results previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm the efficiency of the asynchronous Multisplitting algorithm on distant clusters compared to the synchronous GMRES algorithm.
122
123 \end{abstract}
124
125 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
126 %performance}
127 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
128
129 \maketitle
130
131 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
132 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
133 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
134 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
135 complex parallel applications operating on a large amount of data.
136 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
137 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
138 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
139 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
140 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
141 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
142 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
143 code debugging, ability to obtain results quickly\dots{} In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
144
145 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
146 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
147 simple. It generally involves the division of the problem into  several
148 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
149 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
150 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
151 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
152 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
153 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
154 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a
155 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
156 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
157 neighbors. Both communication and computations are \textit{asynchronous}
158 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
159 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
160 that we detail in section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of
161 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
162 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
163 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
164 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
165
166 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
167 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
168 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
169 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
170 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
171 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
172 parameter variation of the execution platform and of the application data can
173 lead to very different numbers of iterations to reach the converge and so to
174 very different execution times. In this challenging context we think that the
175 use of a simulation tool can greatly leverage the possibility of testing various
176 platform scenarios.
177
178 The main contribution of this paper is to show that the use of a simulation tool
179 (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real  parallel
180 applications (i.e. large linear system solvers) can help developers to better
181 tune their application for a given multi-core architecture. To show the validity
182 of this approach we first compare the simulated execution of the multisplitting
183 algorithm  with  the  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual)
184 solver~\cite{saad86} in synchronous mode. The simulation results allow us to
185 determine which method to choose given a specified multi-core architecture.
186
187 \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...}
188 \DL{OK : ajout d'une phrase précisant tout cela}
189
190 Moreover the obtained results on different simulated multi-core architectures
191 confirm the real results previously obtained on non simulated architectures.
192 More precisely the simulated results are in accordance (i.e. with the same order
193 of magnitude) with the works presented in~\cite{couturier15}, which show that the synchronous
194 multisplitting method is more efficient than GMRES for large scale clusters.
195
196 \LZK{Il n y a pas dans la partie expé cette comparaison et confirmation des
197 résultats entre la simulation et l'exécution réelle des algos sur les vrais
198 clusters.\\ Sinon on pourrait ajouter dans la partie expé une référence vers le
199 journal supercomput de krylov multi pour confirmer que cette méthode est
200 meilleure que GMRES sur les clusters large échelle.} \DL{OK ajout d'une phrase.
201 Par contre je n'ai pas la ref. Merci de la mettre}
202
203 Simulated results  also confirm  the efficiency  of the asynchronous
204 multisplitting algorithm compared to the synchronous GMRES especially in case of
205 geographically distant clusters.
206
207 \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)}
208 \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}
209
210 In
211 this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
212 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
213 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
214 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
215 asynchronous iterative application.
216
217 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
218 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
219 section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
220 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
221 experimental results are presented in section~\ref{sec:expe} followed by some
222 concluding remarks and perspectives.
223
224 \LZK{Proposition d'un titre pour le papier: Grid-enabled simulation of large-scale linear iterative solvers.}
225
226
227 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
228 \label{sec:asynchro}
229
230 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoritecally and
231 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
232 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
233 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
234 asynchronous iterations  methods can be used  to solve, for example,  linear and
235 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
236 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
237
238 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
239 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
240 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
241 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
242 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
243 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
244 one, they are not.  It should be noticed that non blocking communications can be
245 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
246 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
247 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
248 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
249 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
250
251 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
252 for the asynchronous scheme (this number depends depends on  the delay of the
253 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
254 number of iterations is the same than in the sequential mode. In this way, the
255 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
256 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency, \ldots) and  of  the
257 application can drastically change the number of iterations required to get the
258 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
259 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
260 architecture are often very important. So, prior to delpoyment and tests it
261 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
262 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produce
263 by simulation are in accordance with reality i.e. of the same order of
264 magnitude. To our knowledge, there is no study on this problematic.
265
266 \section{SimGrid}
267 \label{sec:simgrid}
268 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.
269
270 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
271 % SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}
272 % is a simulation framework to study the behavior of large-scale distributed
273 % systems.  As its name suggests, it emanates from the grid computing community,
274 % but is nowadays used to study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The
275 % early versions of SimGrid date back from 1999, but it is still actively
276 % developed and distributed as an open source software.  Today, it is one of the
277 % major generic tools in the field of simulation for large-scale distributed
278 % systems.
279
280 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
281 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
282 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
283 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
284 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work described in
285 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
286 standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
287 applications written in C or Fortran, with little or no modifications (cf Section IV - paragraph B).
288
289 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
290 single process.  The application code is really executed, but some operations,
291 like communications, are intercepted, and their running time is computed
292 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
293 description of this target platform is given as an input for the execution, by
294 means of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
295 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
296 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
297 simulated processes, as well as the simulated running time of the application
298 are computed according to these properties.
299
300 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
301 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
302 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows users to run relatively fast
303 simulations, while still keeping accurate
304 results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
305   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
306 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
307 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
308 skipped, but the results are unimportant for the simulation results, it is
309 also possible to share dynamically allocated data structures between
310 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
311 These two techniques can help to run simulations on a very large scale.
312
313 The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
314 See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
315 referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
316 real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
317 SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
318   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
319   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
320 SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
321 applications.
322 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
323
324 \section{Two-stage multisplitting methods}
325 \label{sec:04}
326 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
327 \label{sec:04.01}
328 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 $\mathbb{R}$:
329 \begin{equation}
330 Ax=b,
331 \label{eq:01}
332 \end{equation}
333 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:
334 \begin{equation}
335 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
336 \label{eq:02}
337 \end{equation}
338 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:
339 \begin{equation}
340 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
341 \label{eq:03}
342 \end{equation}
343 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}.
344
345 \begin{figure}[t]
346 %\begin{algorithm}[t]
347 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
348 \begin{algorithmic}[1]
349   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
350   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
351   \State Set the initial guess $x^0$
352   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
353     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
354     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
355     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
356     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
357   \EndFor
358 \end{algorithmic}
359 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
360 \label{alg:01}
361 %\end{algorithm}
362 \end{figure}
363
364 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:
365 \begin{equation}
366 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
367 \label{eq:04}
368 \end{equation}
369 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
370
371 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:
372 \begin{equation}
373 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
374 \label{eq:05}
375 \end{equation}
376 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
377 \begin{equation}
378 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
379 \label{eq:06}
380 \end{equation}
381 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}).
382
383 \begin{figure}[t]
384 %\begin{algorithm}[t]
385 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
386 \begin{algorithmic}[1]
387   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
388   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
389   \State Set the initial guess $x^0$
390   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
391     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
392     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
393     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
394     \If{$k\mod s = 0$}
395        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
396        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
397        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
398        \Else
399          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
400     \EndIf
401     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
402   \EndFor
403 \end{algorithmic}
404 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
405 \label{alg:02}
406 %\end{algorithm}
407 \end{figure}
408
409 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
410 \label{sec:04.02}
411
412 One of our objectives when simulating the  application in Simgrid is, as in real
413 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
414 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
415 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the Simgrid
416 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
417 libraries  and related  header files  (smpi.h).  The  second modification  is to
418 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
419 Simgrid      selector       called      "runtime       automatic      switching"
420 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
421 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
422 Simgrid  to simulate the  grid environment.
423
424 %\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
425 %last modification on the  MPI program pointed out for some  cases, the review of
426 %the sequence of  the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and  MPI\_Waitall instructions which
427 %might cause an infinite loop.
428
429
430 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
431 \  \\ \noindent  Before running  a Simgrid  benchmark, many  parameters for  the
432 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
433 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
434 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
435
436 \begin{itemize}
437         \item hostfile: hosts description file.
438         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
439 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
440 latency lat, \dots{}).
441         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
442 nodes/processors for each cluster).
443 \end{itemize}
444 \noindent
445 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
446
447 \begin{itemize}
448         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
449         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
450         \item matrix sizes of the 3D Poisson problem: N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$ on axis $x$, $y$ and $z$ respectively,
451         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous Krylov multisplitting experiments and $6.2$ for asynchronous block Jacobi experiments,
452         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
453         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
454         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
455         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
456         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
457         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
458 \end{itemize}
459
460 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.
461
462 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
463 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
464
465 \section{Experimental Results}
466 \label{sec:expe}
467
468 In this section, experiments for both Multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
469
470 \subsection{The 3D Poisson problem}
471
472
473 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:
474 \begin{equation}
475 \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
476 \label{eq:07}
477 \end{equation}
478 such that:
479 \begin{equation*}
480 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
481 \end{equation*}
482 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:
483 \begin{equation}
484 \begin{array}{ll}
485 \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))
486 \end{array}
487 \label{eq:08}
488 \end{equation}
489 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
490
491 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.
492
493 \subsection{Study setup and simulation methodology}
494
495 First, to conduct our study, we propose the following methodology
496 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
497
498 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
499 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
500 have been chosen for the study in this paper. \\
501
502 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
503 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
504 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the Multisplitting
505 method. In addition, the Simgrid simulator has been chosen to simulate the
506 behaviors of the distributed applications. Simgrid is running in a virtual
507 machine on a simple laptop. \\
508
509 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
510 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
511 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
512 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
513
514 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
515 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architecture
516 has been configured in Simgrid : 2x16, 4x8, 4x16, 8x8 and 2x50. The first number
517 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
518 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network  has been
519 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
520 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
521 (resp.  inter-clusters backbone links). \\
522
523 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
524 within these configurations by varying the key parameters, especially
525 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
526 input data.  \\
527
528 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
529
530 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
531 a grid environment}
532
533 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
534 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
535 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
536 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
537 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
538 increase.
539
540 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
541 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
542 the program output results:
543 \begin{enumerate}
544 \item  the network  bandwidth  (bw=bits/s) also  known  as "the  data-carrying
545     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
546     from one point to another in a unit of time.
547 \item the  network latency  (lat :  microsecond) defined as  the delay  from the
548   start time to send  a simple data from a source to a destination.
549 \end{enumerate}
550 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
551 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
552
553  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
554  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and
555  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
556  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.
557  The intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a
558  high bandwith and very low latency. In opposite, the inter-network connects
559  clusters sometime via  heterogeneous networks components  throuth internet with
560  a lower speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck
561  for  the global performance of the application.
562
563 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov Multisplitting algorithms in synchronous mode}
564
565 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
566 Multisplitting  method   has  better  performance  than   the  classical  GMRES
567 method. With a synchronous  iterative method, better performance means a
568 smaller number of iterations and execution time before reaching the convergence.
569 For a systematic study,  the experiments  should figure  out  that, for  various
570 grid  parameters values, the simulator will confirm  the targeted outcomes,
571 particularly for poor and slow  networks, focusing on the  impact on the
572 communication  performance on the chosen class of algorithm.
573
574 The following paragraphs present the test conditions, the output results
575 and our comments.\\
576
577
578 \subsubsection{Execution of the algorithms on various computational grid
579 architectures and scaling up the input matrix size}
580 \ \\
581 % environment
582
583 \begin{table} [ht!]
584 \begin{center}
585 \begin{tabular}{r c }
586  \hline
587  Grid Architecture & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
588  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
589  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
590  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
591  \end{tabular}
592 \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?}
593 \AG{La lettre 'x' n'est pas le symbole de la multiplication. Utiliser \texttt{\textbackslash times}.  Idem dans le texte, les figures, etc.}}
594 \label{tab:01}
595 \end{center}
596 \end{table}
597
598
599
600
601
602 In this  section, we analyze the  performance of algorithms running  on various
603 grid configurations  (2x16, 4x8, 4x16  and 8x8). First,  the results in  Figure~\ref{fig:01}
604 show for all grid configurations the non-variation of the number of iterations of
605 classical  GMRES for  a given  input matrix  size; it is not  the case  for the
606 multisplitting method.
607
608 \RC{CE attention tu n'as pas mis de label dans tes figures, donc c'est le bordel, j'en mets mais vérifie...}
609 \RC{Les légendes ne sont pas explicites...}
610
611
612 \begin{figure} [ht!]
613   \begin{center}
614     \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
615   \end{center}
616   \caption{Various grid configurations with the input matrix size N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170\RC{idem}
617 \AG{Utiliser le point comme séparateur décimal et non la virgule.  Idem dans les autres figures.}}
618   \label{fig:01}
619 \end{figure}
620
621
622 The execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
623 grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2x16
624 and  4x8). We  can  observ  the low  sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
625 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
626 in the  grid: in  average, the GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm performs
627 $40\%$ 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?}
628
629 \subsubsection{Running on two different inter-clusters network speeds \\}
630
631 \begin{table} [ht!]
632 \begin{center}
633 \begin{tabular}{r c }
634  \hline
635  Grid Architecture & 2x16, 4x8\\ %\hline
636  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
637  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
638  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
639  \end{tabular}
640 \caption{Test conditions: grid 2x16 and 4x8 with  networks N1 vs N2}
641 \label{tab:02}
642 \end{center}
643 \end{table}
644
645 These experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running first  on a
646 speed inter-cluster  network (N1) and  also on  a less performant  network (N2). \RC{Il faut définir cela avant...}
647 Figure~\ref{fig:02} shows that end users will reduce the execution time
648 for  both  algorithms when using  a  grid  architecture  like  4x16 or  8x8: the reduction is about $2$. The results depict  also that when
649 the  network speed  drops down (variation of 12.5\%), the  difference between  the two Multisplitting algorithms execution times can reach more than 25\%.
650 %\RC{c'est pas clair : la différence entre quoi et quoi?}
651 %\DL{pas clair}
652 %\RCE{Modifie}
653
654
655 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
656 \begin{figure} [ht!]
657 \centering
658 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
659 \caption{Grid 2x16 and 4x8 with networks N1 vs N2
660 \AG{\np{8E-6}, \np{5E-6} au lieu de 8E-6, 5E-6}}
661 \label{fig:02}
662 \end{figure}
663 %\end{wrapfigure}
664
665
666 \subsubsection{Network latency impacts on performance}
667 \ \\
668 \begin{table} [ht!]
669 \centering
670 \begin{tabular}{r c }
671  \hline
672  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
673  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
674  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
675  \end{tabular}
676 \caption{Test conditions: network latency impacts}
677 \label{tab:03}
678 \end{table}
679
680
681
682 \begin{figure} [ht!]
683 \centering
684 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
685 \caption{Network latency impacts on execution time
686 \AG{\np{E-6}}}
687 \label{fig:03}
688 \end{figure}
689
690
691 According to  the results of  Figure~\ref{fig:03}, a degradation of  the network
692 latency from  $8.10^{-6}$ to  $6.10^{-5}$ implies an  absolute time  increase of
693 more  than $75\%$  (resp.  $82\%$)  of the  execution  for  the classical  GMRES
694 (resp.  Krylov multisplitting)  algorithm.   In addition,  it  appears that  the
695 Krylov multisplitting method tolerates more the network latency variation with a
696 less  rate increase  of  the  execution time.\RC{Les  2  précédentes phrases  me
697   semblent en contradiction....}  Consequently, in the worst case ($lat=6.10^{-5
698 }$), the  execution time for  GMRES is  almost the double  than the time  of the
699 Krylov multisplitting,  even though, the  performance was  on the same  order of
700 magnitude with a latency of $8.10^{-6}$.
701
702 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
703 \ \\
704 \begin{table} [ht!]
705 \centering
706 \begin{tabular}{r c }
707  \hline
708  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
709  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
710  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
711  \end{tabular}
712 \caption{Test conditions: Network bandwidth impacts\RC{Qu'est ce qui varie ici? Il n'y a pas de variation dans le tableau}}
713 \label{tab:04}
714 \end{table}
715
716
717 \begin{figure} [ht!]
718 \centering
719 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
720 \caption{Network bandwith impacts on execution time
721 \AG{``Execution time'' avec un 't' minuscule}. Idem autres figures.}
722 \label{fig:04}
723 \end{figure}
724
725 The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
726 performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
727 Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
728 presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
729 of $40\%$ which is only around $24\%$ for the classical GMRES.
730
731 \subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
732 \ \\
733 \begin{table} [ht!]
734 \centering
735 \begin{tabular}{r c }
736  \hline
737  Grid Architecture & 4x8\\ %\hline
738  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\
739  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
740  \end{tabular}
741 \caption{Test conditions: Input matrix size impacts}
742 \label{tab:05}
743 \end{table}
744
745
746 \begin{figure} [ht!]
747 \centering
748 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
749 \caption{Problem size impacts on execution time}
750 \label{fig:05}
751 \end{figure}
752
753 In these experiments, the input matrix size  has been set from $N_{x} = N_{y}
754 = N_{z} = 40$ to $200$ side elements  that is from $40^{3} = 64.000$ to $200^{3}
755 = 8,000,000$  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
756 time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
757 But the interesting results are:
758 \begin{enumerate}
759   \item the drastic increase ($10$ times)  of the number of iterations needed to
760     reach the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
761     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}
762 \item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for $N_{x}=140$
763   compared with the Krylov multisplitting method.
764 \end{enumerate}
765
766 These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
767 targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
768 size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
769 grid 2x16 leading to the same conclusion.
770
771 \subsubsection{CPU Power impacts on performance}
772
773 \begin{table} [ht!]
774 \centering
775 \begin{tabular}{r c }
776  \hline
777  Grid architecture & 2x16\\ %\hline
778  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
779  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
780  \end{tabular}
781 \caption{Test conditions: CPU Power impacts}
782 \label{tab:06}
783 \end{table}
784
785 \begin{figure} [ht!]
786 \centering
787 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
788 \caption{CPU Power impacts on execution time}
789 \label{fig:06}
790 \end{figure}
791
792 Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
793 on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
794 from $1$ to $19$ GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
795 performance gain,  around $95\%$ for  both of the  two methods, after  adding more
796 powerful CPU.
797
798 \DL{il faut une conclusion sur ces tests : ils confirment les résultats déjà
799 obtenus en grandeur réelle. Donc c'est une aide précieuse pour les dev. Pas
800 besoin de déployer sur une archi réelle}
801
802
803 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
804
805 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
806 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
807 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
808 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
809 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
810
811 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
812 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
813 In  this case,  each  processor can  compute its  iteration  freely without  any
814 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
815 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
816 performance.
817
818 \RC{la phrase suivante est bizarre, je ne comprends pas pourquoi elle vient ici}
819 In this section, Simgrid simulator tool has been successfully used to show
820 the efficiency of  the multisplitting in asynchronous mode and  to find the best
821 combination of the grid resources (CPU,  Network, input matrix size, \ldots ) to
822 get    the   highest    \textit{"relative    gain"}   (exec\_time$_{GMRES}$    /
823 exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
824
825
826 The test conditions are summarized in the table~\ref{tab:07}: \\
827
828 \begin{table} [ht!]
829 \centering
830 \begin{tabular}{r c }
831  \hline
832  Grid Architecture & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
833  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
834    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
835    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
836  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
837  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
838  \end{tabular}
839 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs Krylov Multisplitting in asynchronous mode}
840 \label{tab:07}
841 \end{table}
842
843 Again,  comprehensive and  extensive tests  have been  conducted with  different
844 parameters as  the CPU power, the  network parameters (bandwidth and  latency)
845 and with different problem size. The  relative gains greater than $1$  between the
846 two algorithms have  been captured after  each step  of the test.   In
847 Figure~\ref{fig:07}  are  reported the  best  grid  configurations allowing
848 the  multisplitting method to  be more than  $2.5$ times faster  than the
849 classical  GMRES.  These  experiments also  show the  relative tolerance  of the
850 multisplitting algorithm when using a low speed network as usually observed with
851 geographically distant clusters through the internet.
852
853 % use the same column width for the following three tables
854 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
855 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
856   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
857   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
858                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
859     \end{tabular}}
860
861
862 \begin{figure}[!t]
863 \centering
864 %\begin{table}
865 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
866 %  \label{"Table 7"}
867  \begin{mytable}{11}
868     \hline
869     bandwidth (Mbit/s)
870     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
871     \hline
872     latency (ms)
873     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
874     \hline
875     power (GFlops)
876     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
877     \hline
878     size (N)
879     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
880     \hline
881     Precision
882     & \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}\\
883     \hline
884     Relative gain
885     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
886     \hline
887   \end{mytable}
888 %\end{table}
889  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES
890 \AG{C'est un tableau, pas une figure}}
891  \label{fig:07}
892 \end{figure}
893
894
895 \section{Conclusion}
896 CONCLUSION
897
898
899 %\section*{Acknowledgment}
900 \ack
901 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
902
903 \bibliographystyle{wileyj}
904 \bibliography{biblio}
905
906
907 \end{document}
908
909 %%% Local Variables:
910 %%% mode: latex
911 %%% TeX-master: t
912 %%% fill-column: 80
913 %%% ispell-local-dictionary: "american"
914 %%% End: