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