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Private GIT Repository
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[rce2015.git] / paper.tex
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8 %T\kern-.1667em\lower.7ex\hbox{E}\kern-.125emX}}
9
10 \def\volumeyear{2015}
11
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25 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
26 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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48
49 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
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51
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54
55 \newcommand{\MI}{\mathit{MaxIter}}
56
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63 \definecolor{Gray}{gray}{0.9}
64
65
66
67 \begin{document}
68 \RCE{Titre a confirmer.}
69 \title{Comparative performance analysis of simulated grid-enabled numerical iterative algorithms}
70 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
71
72 \author{    Charles Emile Ramamonjisoa and
73     David Laiymani and
74     Arnaud Giersch and
75     Lilia Ziane Khodja and
76     Raphaël Couturier
77 }
78
79 \address{
80         \centering    
81     Femto-ST Institute - DISC Department\\
82     Université de Franche-Comté\\
83     Belfort\\
84     Email: \email{{raphael.couturier,arnaud.giersch,david.laiymani,charles.ramamonjisoa}@univ-fcomte.fr}
85 }
86
87 \begin{abstract}
88 ABSTRACT
89 \end{abstract}
90
91 \keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid; performance}
92
93 \maketitle
94
95 \section{Introduction}
96
97 \section{The asynchronous iteration model}
98
99 \section{SimGrid}
100
101 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
102 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
103
104 \section{Two-stage splitting methods}
105 \label{sec:04}
106 \subsection{Multisplitting methods for sparse linear systems}
107 \label{sec:04.01}
108 Let us consider the following sparse linear system of $n$ equations in $\mathbb{R}$:
109 \begin{equation}
110 Ax=b,
111 \label{eq:01}
112 \end{equation}
113 where $A$ is a sparse square and nonsingular matrix, $b$ is the right-hand side and $x$ is the solution of the system. The multisplitting methods solve the linear system~(\ref{eq:01}) iteratively as follows: 
114 \begin{equation}
115 x^{k+1}=\displaystyle\sum^L_{\ell=1} E_\ell M^{-1}_\ell (N_\ell x^k + b),~k=1,2,3,\ldots
116 \label{eq:02}
117 \end{equation}
118 where a collection of $L$ triplets $(M_\ell, N_\ell, E_\ell)$ defines the multisplitting of matrix $A$, such that: the different splittings are defined as $A=M_\ell-N_\ell$ where $M_\ell$ are nonsingular matrices, and $\sum_\ell{E_\ell=I}$ are diagonal nonnegative weighting matrices and $I$ is the identity matrix.
119
120 \subsection{Simulation of two-stage methods using SimGrid framework}
121
122 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
123 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
124
125 \section{Experimental, Results and Comments}
126
127
128 \textbf{V.1. Setup study and Methodology}
129
130 To conduct our study, we have put in place the following methodology 
131 which can be reused with any grid-enabled applications.
132
133 \textbf{Step 1} : Choose with the end users the class of algorithms or 
134 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms 
135 have been chosen for the study in the paper. 
136
137 \textbf{Step 2} : Collect the software materials needed for the 
138 experimentation. In our case, we have three variants algorithms for the 
139 resolution of three 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES 
140 \textit{(Generalized Minimal RESidual Method)} alias Algo-1 in this 
141 paper, (2) using the multisplitting method alias Algo-2 and (3) an 
142 enhanced version of the multisplitting method as Algo-3. In addition, 
143 SIMGRID simulator has been chosen to simulate the behaviors of the 
144 distributed applications. SIMGRID is running on the Mesocentre 
145 datacenter in Franche-Comte University $[$10$]$ but also in a virtual 
146 machine on a laptop.
147
148 \textbf{Step 3} : Fix the criteria which will be used for the future 
149 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain 
150 in one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous) 
151 and in the other hand the execution time and the number of iterations of 
152 the application before obtaining the convergence.
153
154 \textbf{Step 4 }: Setup up the different grid testbeds environment 
155 which will be simulated in the simulator tool to run the program. The 
156 following architecture has been configured in Simgrid : 2x16 - that is a 
157 grid containing 2 clusters with 16 hosts (processors/cores) each -, 4x8, 
158 4x16, 8x8 and 2x50. The network has been designed to operate with a 
159 bandwidth equals to 10Gbits (resp. 1Gbits/s) and a latency of 8E-6 
160 microseconds (resp. 5E-5) for the intra-clusters links (resp. 
161 inter-clusters backbone links).
162
163 \textbf{Step 5}: Process an extensive and comprehensive testings 
164 within these configurations in varying the key parameters, especially 
165 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the 
166 input matrix. Note that some parameters should be invariant to allow the 
167 comparison like some program input arguments.
168
169 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
170
171 \textbf{ V.2. Factors impacting distributed applications performance in 
172 a grid environment}
173
174 From our previous experience on running distributed application in a 
175 computational grid, many factors are identified to have an impact on the 
176 program behavior and performance on this specific environment. Mainly, 
177 first of all, the architecture of the grid itself can obviously 
178 influence the performance results of the program. The performance gain 
179 might be important theoretically when the number of clusters and/or the 
180 number of nodes (processors/cores) in each individual cluster increase. 
181
182 Another important factor impacting the overall performance of the 
183 application is the network configuration. Two main network parameters 
184 can modify drastically the program output results : (i) the network 
185 bandwidth (bw=bits/s) also known as "the data-carrying capacity" 
186 $[$13$]$ of the network is defined as the maximum of data that can pass 
187 from one point to another in a unit of time. (ii) the network latency 
188 (lat : microsecond) defined as the delay from the start time to send the 
189 data from a source and the final time the destination have finished to 
190 receive it. Upon the network characteristics, another impacting factor 
191 is the application dependent volume of data exchanged between the nodes 
192 in the cluster and between distant clusters. Large volume of data can be 
193 transferred in transit between the clusters and nodes during the code 
194 execution. 
195
196  In a grid environment, it is common to distinguish in one hand, the 
197 "\,intra-network" which refers to the links between nodes within a 
198 cluster and in the other hand, the "\,inter-network" which is the 
199 backbone link between clusters. By design, these two networks perform 
200 with different speed. The intra-network generally works like a high 
201 speed local network with a high bandwith and very low latency. In 
202 opposite, the inter-network connects clusters sometime via heterogeneous 
203 networks components thru internet with a lower speed. The network 
204 between distant clusters might be a bottleneck for the global 
205 performance of the application. 
206
207 \textbf{V.3 Comparing GMRES and Multisplitting algorithms in 
208 synchronous mode}
209
210 In the scope of this paper, our first objective is to demonstrate the 
211 Algo-2 (Multisplitting method) shows a better performance in grid 
212 architecture compared with Algo-1 (Classical GMRES) both running in 
213 \textbf{\textit{synchronous mode}}. Better algorithm performance 
214 should mean a less number of iterations output and a less execution time 
215 before reaching the convergence. For a systematic study, the experiments 
216 should figure out that, for various grid parameters values, the 
217 simulator will confirm the targeted outcomes, particularly for poor and 
218 slow networks, focusing on the impact on the communication performance 
219 on the chosen class of algorithm $[$12$]$.
220
221 The following paragraphs present the test conditions, the output results 
222 and our comments.
223
224
225 \textit{3.a Executing the algorithms on various computational grid 
226 architecture scaling up the input matrix size}
227 \\
228
229 % environment
230 \begin{footnotesize}
231 \begin{tabular}{r c }
232  \hline  
233  Grid & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
234  Network & N2 : bw=1Gbs-lat=5E-05 \\ %\hline
235  Input matrix size & N$_{x}$ =150 x 150 x 150 and\\ %\hline
236  - & N$_{x}$ =170 x 170 x 170    \\ \hline
237  \end{tabular}
238 \end{footnotesize}
239
240
241  Table 1 : Clusters x Nodes with NX=150 or NX=170
242
243 \RCE{J'ai voulu mettre les tableaux des données mais je pense que c'est inutile et ça va surcharger}
244
245
246 The results in figure 1 show the non-variation of the number of 
247 iterations of classical GMRES for a given input matrix size; it is not 
248 the case for the multisplitting method. 
249
250 %\begin{wrapfigure}{l}{60mm}
251 \begin{figure} [ht!]
252 \centering
253 \includegraphics[width=60mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
254 \caption{Cluster x Nodes NX=150 and NX=170} 
255 %\label{overflow}}
256 \end{figure}
257 %\end{wrapfigure}
258
259 Unless the 8x8 cluster, the time 
260 execution difference between the two algorithms is important when 
261 comparing between different grid architectures, even with the same number of 
262 processors (like 2x16 and 4x8 = 32 processors for example). The 
263 experiment concludes the low sensitivity of the multisplitting method 
264 (compared with the classical GMRES) when scaling up to higher input 
265 matrix size. 
266
267 \textit{3.b Running on various computational grid architecture}
268
269 % environment
270 \begin{footnotesize}
271 \begin{tabular}{r c }
272  \hline  
273  Grid & 2x16, 4x8\\ %\hline
274  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8E-06 \\ %\hline
275  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5E-05 \\
276  Input matrix size & N$_{x}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
277  \end{tabular}
278 \end{footnotesize}
279
280 %Table 2 : Clusters x Nodes - Networks N1 x N2
281 %\RCE{idem pour tous les tableaux de donnees}
282
283
284 %\begin{wrapfigure}{l}{60mm}
285 \begin{figure} [ht!]
286 \centering
287 \includegraphics[width=60mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
288 \caption{Cluster x Nodes N1 x N2}
289 %\label{overflow}}
290 \end{figure}
291 %\end{wrapfigure}
292
293 The experiments compare the behavior of the algorithms running first on 
294 speed inter- cluster network (N1) and a less performant network (N2). 
295 The figure 2 shows that end users will gain to reduce the execution time 
296 for both algorithms in using a grid architecture like 4x16 or 8x8: the 
297 performance was increased in a factor of 2. The results depict also that 
298 when the network speed drops down, the difference between the execution 
299 times can reach more than 25\%. 
300
301 \textit{\\\\\\\\\\\\\\\\\\3.c Network latency impacts on performance}
302
303 % environment
304 \begin{footnotesize}
305 \begin{tabular}{r c }
306  \hline  
307  Grid & 2x16\\ %\hline
308  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
309  Input matrix size & N$_{x}$ =150 x 150 x 150\\ \hline\\
310  \end{tabular}
311 \end{footnotesize}
312
313 Table 3 : Network latency impact
314
315
316 \begin{figure} [ht!]
317 \centering
318 \includegraphics[width=60mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
319 \caption{Network latency impact on execution time}
320 %\label{overflow}}
321 \end{figure}
322
323
324 According the results in table and figure 3, degradation of the network 
325 latency from 8.10$^{-6}$ to 6.10$^{-5}$ implies an absolute time 
326 increase more than 75\% (resp. 82\%) of the execution for the classical 
327 GMRES (resp. multisplitting) algorithm. In addition, it appears that the 
328 multisplitting method tolerates more the network latency variation with 
329 a less rate increase. Consequently, in the worst case (lat=6.10$^{-5
330 }$), the execution time for GMRES is almost the double of the time for 
331 the multisplitting, even though, the performance was on the same order 
332 of magnitude with a latency of 8.10$^{-6}$. 
333
334 \textit{3.d Network bandwidth impacts on performance}
335
336 % environment
337 \begin{footnotesize}
338 \begin{tabular}{r c }
339  \hline  
340  Grid & 2x16\\ %\hline
341  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5E-05 \\ %\hline
342  Input matrix size & N$_{x}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
343  \end{tabular}
344 \end{footnotesize}
345
346 Table 4 : Network bandwidth impact
347
348 \begin{figure} [ht!]
349 \centering
350 \includegraphics[width=60mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
351 \caption{Network bandwith impact on execution time}
352 %\label{overflow}
353 \end{figure}
354
355
356
357 The results of increasing the network bandwidth depict the improvement 
358 of the performance by reducing the execution time for both of the two 
359 algorithms. However, and again in this case, the multisplitting method 
360 presents a better performance in the considered bandwidth interval with 
361 a gain of 40\% which is only around 24\% for classical GMRES.
362
363 \textit{3.e Input matrix size impacts on performance}
364
365 % environment
366 \begin{footnotesize}
367 \begin{tabular}{r c }
368  \hline  
369  Grid & 4x8\\ %\hline
370  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5E-05 \\ %\hline
371  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
372  \end{tabular}
373 \end{footnotesize}
374
375 Table 5 : Input matrix size impact
376
377 \begin{figure} [ht!]
378 \centering
379 \includegraphics[width=60mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
380 \caption{Pb size impact on execution time}
381 %\label{overflow}}
382 \end{figure}
383
384 In this experimentation, the input matrix size has been set from 
385 Nx=Ny=Nz=40 to 200 side elements that is from 40$^{3}$ = 64.000 to 
386 200$^{3}$ = 8.000.000 points. Obviously, as shown in the figure 5, 
387 the execution time for the algorithms convergence increases with the 
388 input matrix size. But the interesting result here direct on (i) the 
389 drastic increase (300 times) of the number of iterations needed before 
390 the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size 
391 go beyond Nx=150; (ii) the classical GMRES execution time also almost 
392 the double from Nx=140 compared with the convergence time of the 
393 multisplitting method. These findings may help a lot end users to setup 
394 the best and the optimal targeted environment for the application 
395 deployment when focusing on the problem size scale up. Note that the 
396 same test has been done with the grid 2x16 getting the same conclusion.
397
398 \textit{3.f CPU Power impact on performance}
399
400 % environment
401 \begin{footnotesize}
402 \begin{tabular}{r c }
403  \hline  
404  Grid & 2x16\\ %\hline
405  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5E-05 \\ %\hline
406  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
407  \end{tabular}
408 \end{footnotesize}
409
410 Table 6 : CPU Power impact
411
412 \begin{figure} [ht!]
413 \centering
414 \includegraphics[width=60mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
415 \caption{CPU Power impact on execution time}
416 %\label{overflow}}
417 \end{figure}
418
419 Using the SIMGRID simulator flexibility, we have tried to determine the 
420 impact on the algorithms performance in varying the CPU power of the 
421 clusters nodes from 1 to 19 GFlops. The outputs depicted in the figure 6 
422 confirm the performance gain, around 95\% for both of the two methods, 
423 after adding more powerful CPU. Note that the execution time axis in the 
424 figure is in logarithmic scale.
425
426  \textbf{V.4 Comparing GMRES in native synchronous mode and 
427 Multisplitting algorithms in asynchronous mode}
428
429 The previous paragraphs put in evidence the interests to simulate the 
430 behavior of the application before any deployment in a real environment. 
431 We have focused the study on analyzing the performance in varying the 
432 key factors impacting the results. In the same line, the study compares 
433 the performance of the two proposed methods in \textbf{synchronous mode
434 }. In this section, with the same previous methodology, the goal is to 
435 demonstrate the efficiency of the multisplitting method in \textbf{
436 asynchronous mode} compare with the classical GMRES staying in the 
437 synchronous mode.
438
439 Note that the interest of using the asynchronous mode for data exchange 
440 is mainly, in opposite of the synchronous mode, the non-wait aspects of 
441 the current computation after a communication operation like sending 
442 some data between nodes. Each processor can continue their local 
443 calculation without waiting for the end of the communication. Thus, the 
444 asynchronous may theoretically reduce the overall execution time and can 
445 improve the algorithm performance.
446
447 As stated supra, SIMGRID simulator tool has been used to prove the 
448 efficiency of the multisplitting in asynchronous mode and to find the 
449 best combination of the grid resources (CPU, Network, input matrix size, 
450 \ldots ) to get the highest "\,relative gain" in comparison with the 
451 classical GMRES time. 
452
453
454 The test conditions are summarized in the table below : 
455
456 % environment
457 \begin{footnotesize}
458 \begin{tabular}{r c }
459  \hline  
460  Grid & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
461  Processors & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
462    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5E-05 \\ %\hline
463    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2E-02\\
464  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
465  Residual error precision: 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline
466  \end{tabular}
467 \end{footnotesize}
468
469 Again, comprehensive and extensive tests have been conducted varying the 
470 CPU power and the network parameters (bandwidth and latency) in the 
471 simulator tool with different problem size. The relative gains greater 
472 than 1 between the two algorithms have been captured after each step of 
473 the test. Table I below has recorded the best grid configurations 
474 allowing a multiplitting method time more than 2.5 times lower than 
475 classical GMRES execution and convergence time. The finding thru this 
476 experimentation is the tolerance of the multisplitting method under a 
477 low speed network that we encounter usually with distant clusters thru the 
478 internet.
479
480 % use the same column width for the following three tables
481 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
482 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
483   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
484   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
485                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
486     \end{tabular}}
487
488 \begin{table}[!t]
489   \centering
490   \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with 
491 the classical GMRES}
492   \label{tab.cluster.2x50}
493
494   \begin{mytable}{6}
495     \hline
496     bw
497     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5         & 50 \\
498     \hline
499     lat
500     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02 \\
501     \hline
502     power
503     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5       & 1.5 \\
504     \hline
505     size
506     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100       & 110 \\
507     \hline
508     Prec/Eprec
509     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} \\
510     \hline
511     speedup
512     & 0.396     & 0.392     & 0.396     & 0.391     & 0.393     & 0.395 \\
513     \hline
514   \end{mytable}
515
516   \smallskip
517
518   \begin{mytable}{6}
519     \hline
520     bw
521     & 50        & 50        & 50        & 50        & 10        & 10 \\
522     \hline
523     lat
524     & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.02      & 0.03      & 0.01 \\
525     \hline
526     power
527     & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1.5       & 1         & 1.5 \\
528     \hline
529     size
530     & 120       & 130       & 140       & 150       & 171       & 171 \\
531     \hline
532     Prec/Eprec
533     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-5}  & \np{E-5} \\
534     \hline
535     speedup
536     & 0.398     & 0.388     & 0.393     & 0.394     & 0.63      & 0.778 \\
537     \hline
538   \end{mytable}
539 \end{table}
540
541 \section{Conclusion}
542 CONCLUSION
543
544
545 \section*{Acknowledgment}
546
547
548 The authors would like to thank\dots{}
549
550
551 % trigger a \newpage just before the given reference
552 % number - used to balance the columns on the last page
553 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
554 % the document is modified later
555 \bibliographystyle{IEEEtran}
556 \bibliography{hpccBib}
557
558 \end{document}
559
560 %%% Local Variables:
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565 %%% End: