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[rce2015.git] / paper.tex
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8 %T\kern-.1667em\lower.7ex\hbox{E}\kern-.125emX}}
9
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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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51
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54
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61
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69
70
71
72 \begin{document}
73 \RCE{Titre a confirmer.}
74 \title{Comparative performance analysis of simulated grid-enabled numerical iterative algorithms}
75 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
76
77 \author{    Charles Emile Ramamonjisoa and
78     David Laiymani and
79     Arnaud Giersch and
80     Lilia Ziane Khodja and
81     Raphaël Couturier
82 }
83
84 \address{
85         \centering    
86     Femto-ST Institute - DISC Department\\
87     Université de Franche-Comté\\
88     Belfort\\
89     Email: \email{{raphael.couturier,arnaud.giersch,david.laiymani,charles.ramamonjisoa}@univ-fcomte.fr}
90 }
91
92 %% Lilia Ziane Khodja: Department of Aerospace \& Mechanical Engineering\\ Non Linear Computational Mechanics\\ University of Liege\\ Liege, Belgium. Email: l.zianekhodja@ulg.ac.be
93
94 \begin{abstract}
95   The behavior of multicore applications is always a challenge to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation tool which allows us to change many parameters of the architecture (network bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such applications. We have decided to use SimGrid as it enables to benchmark MPI applications.
96
97 In this paper, we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
98 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
99 These algorithms  are used to  solve libear  systems. Two different  variantsof the Multisplitting are
100 studied: one  using synchronoous  iterations and  another one  with asynchronous
101 iterations. For each algorithm we have  tested different parameters to see their
102 influence.  We strongly  recommend people  interested  by investing  into a  new
103 expensive  hardware  architecture  to   benchmark  their  applications  using  a
104 simulation tool before.
105
106   
107
108   
109 \end{abstract}
110
111 \keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid; performance}
112
113 \maketitle
114
115 \section{Introduction} 
116 The use of multi-core architectures for solving large scientific problems seems to  become imperative  in  a  lot  of  cases. 
117 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational grids, embedded multi-core \ldots) they  are generally 
118 well adapted to execute complexe parallel applications operating on a large amount of data.  Unfortunately,  users (industrials or scientists), 
119 who need such computational resources may not have an easy access to such efficient architectures. The cost of using the platform and/or the cost of 
120 testing and deploying an application are often very important.  So, in this context it is difficult to optimize a given application for a given 
121 architecture. In this way and in order to reduce the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a simulation environment. 
122 The advantages are numerous: development life cycle, code debugging, ability to obtain results quickly \ldots
123
124 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called \emph{iterative algorithms}. The
125 parallel scheme of iterative methods is quite simple. It generally involves the division of the problem
126 into  several  \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple
127 processing units.  Then each processing unit has to
128 compute an iteration, to send/receive some data dependencies to/from
129 its neighbors and to iterate this process until the convergence of
130 the method. Several well-known methods demonstrate the convergence of these algorithms~\cite{BT89,Bahi07}.
131 In this processing mode a task cannot begin a new iteration while it
132 has not received data dependencies from its neighbors. We say that the iteration computation follows a synchronous scheme.
133 In the asynchronous scheme a task can compute a new iteration without having to
134 wait for the data dependencies coming from its neighbors. Both
135 communication and computations are asynchronous inducing that there is
136 no more idle times, due to synchronizations, between two
137 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks that we detail in section 2 but even if the number of iterations required to converge is 
138 generally  greater  than for the synchronous  case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly  reduce  overall execution
139 times by  suppressing idle  times due to  synchronizations~\cite{Bahi07} for more details.
140
141 Nevertheless, in both cases (synchronous or asynchronous) it is very time consuming to find optimal configuration and deployment requirements 
142 for a given application on a given multi-core architecture. Finding good resource allocations policies under varying CPU power, network speeds and 
143 loads is very challenging and labor intensive.~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}.   This problematic is even more difficult for the asynchronous scheme 
144 where variations of the parameters of the execution platform can lead to very different number of iterations required to converge and so to very different execution times.
145 In this challenging context we think that the use of a simulation tool can leverage the possibility of testing various platform scenarios.
146
147 The main contribution of this paper is to show that the use of a simulation tool (i.e. the SimGrid   toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real 
148 parallel applications (i.e. large linear system solver) can help developers to better tune their application for a given multi-core architecture.
149 To show the validity of this approach we first compare the simulated execution of the multisplitting algorithm  with  the  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual) solver
150 \cite{ref1} both in synchronous mode. The obtained results on different simulated multi-core architectures confirm the results previously obtained on non simulated architecture. 
151 We also confirm  the efficiency  of the  asynchronous  multisplitting algorithm  comparing to the synchronous  GMRES. In this way and with a simple computing architecture (a laptop) 
152 SimGrid allows us (with small modifications of the MPI code) to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on  different simulated multi-core architectures. 
153 To our knowledge, there is no related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and asynchronous iterative application.  
154
155 This paper is organized as follows:
156
157
158 \section{The asynchronous iteration model}
159
160 \section{SimGrid}
161
162 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
163 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
164
165 \section{Two-stage multisplitting methods}
166 \label{sec:04}
167 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
168 \label{sec:04.01}
169 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 $\mathbb{R}$
170 \begin{equation}
171 Ax=b,
172 \label{eq:01}
173 \end{equation}
174 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). The two-stage multisplitting methods solve the linear system~(\ref{eq:01}) iteratively as follows
175 \begin{equation}
176 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
177 \label{eq:02}
178 \end{equation}
179 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 
180 \begin{equation}
181 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
182 \label{eq:03}
183 \end{equation}
184 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, is studied by many authors for example~\cite{Bru95,bahi07}. 
185
186 \begin{figure}[t]
187 %\begin{algorithm}[t]
188 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
189 \begin{algorithmic}[1]
190   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
191   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
192   \State Set the initial guess $x^0$
193   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
194     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
195     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
196     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
197     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
198   \EndFor
199 \end{algorithmic}
200 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
201 \label{alg:01}
202 %\end{algorithm} 
203 \end{figure}
204
205 In this paper, we propose two algorithms of two-stage multisplitting methods. The first algorithm is based on asynchronous model which allows the 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
206 \begin{equation}
207 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
208 \label{eq:04}
209 \end{equation}    
210 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm. 
211
212 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 
213 \begin{equation}
214 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
215 \label{eq:05}
216 \end{equation}   
217 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual
218 \begin{equation}
219 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
220 \label{eq:06}
221 \end{equation} 
222 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}).
223  
224 \begin{figure}[t]
225 %\begin{algorithm}[t]
226 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
227 \begin{algorithmic}[1]
228   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
229   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
230   \State Set the initial guess $x^0$
231   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
232     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
233     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
234     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
235     \If{$k\mod s = 0$}
236        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
237        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
238        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
239        \Else 
240          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
241     \EndIf
242     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
243   \EndFor
244 \end{algorithmic}
245 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
246 \label{alg:02}
247 %\end{algorithm} 
248 \end{figure}
249
250 \subsection{Simulation of two-stage methods using SimGrid framework}
251 \label{sec:04.02}
252
253 One of our objectives when simulating the application in SIMGRID is, as in real life, to get accurate results (solutions of the problem) but also ensure the test reproducibility under the same conditions. According our experience, very few modifications are required to adapt a MPI program to run in SIMGRID simulator using SMPI (Simulator MPI).The first modification is to include SMPI libraries and related header files (smpi.h). The second and important modification is to eliminate all global variables in moving them to local subroutine or using a Simgrid selector called "runtime automatic switching" (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global variables can generate side effects on runtime between the threads running in the same process, generated by the Simgrid to simulate the grid environment.The last modification on the MPI program pointed out for some cases, the review of the sequence of the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and MPI\_Waitall instructions which might cause an infinite loop.     
254
255
256 \paragraph{SIMGRID Simulator parameters}
257
258 \begin{itemize}
259         \item hostfile: Hosts description file.
260         \item plarform: File describing the platform architecture : clusters (CPU power,
261 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
262 latency lat, \dots{}).
263         \item archi   : Grid computational description (Number of clusters, Number of 
264 nodes/processors for each cluster). 
265 \end{itemize}
266
267
268 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
269
270 \begin{itemize}
271         \item Maximum number of inner and outer iterations;
272         \item Inner and outer precisions;
273         \item Matrix size (N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$);
274         \item Matrix diagonal value = 6.0;
275         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
276 \end{itemize}
277
278 At last, note that the two solver algorithms have been executed with the Simgrid selector -cfg=smpi/running\_power which determine the computational power (here 19GFlops) of the simulator host machine.  
279
280 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
281 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
282
283 \section{Experimental Results}
284
285
286 \subsection{Setup study and Methodology}
287
288 To conduct our study, we have put in place the following methodology 
289 which can be reused for any grid-enabled applications.
290
291 \textbf{Step 1} : Choose with the end users the class of algorithms or 
292 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms 
293 have been chosen for the study in this paper. \\
294
295 \textbf{Step 2} : Collect the software materials needed for the 
296 experimentation. In our case, we have two variants algorithms for the 
297 resolution of three 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES (Algo-1)(2) and the multisplitting method (Algo-2). In addition, SIMGRID simulator has been chosen to simulate the behaviors of the 
298 distributed applications. SIMGRID is running on the Mesocentre datacenter in Franche-Comte University but also in a virtual machine on a laptop. \\
299
300 \textbf{Step 3} : Fix the criteria which will be used for the future 
301 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain 
302 in one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous) 
303 and in the other hand the execution time and the number of iterations of 
304 the application before obtaining the convergence. \\
305
306 \textbf{Step 4 }: Setup up the different grid testbeds environment 
307 which will be simulated in the simulator tool to run the program. The 
308 following architecture has been configured in Simgrid : 2x16 - that is a 
309 grid containing 2 clusters with 16 hosts (processors/cores) each -, 4x8, 
310 4x16, 8x8 and 2x50. The network has been designed to operate with a 
311 bandwidth equals to 10Gbits (resp. 1Gbits/s) and a latency of 8E-6 
312 microseconds (resp. 5E-5) for the intra-clusters links (resp. 
313 inter-clusters backbone links). \\
314
315 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings 
316 within these configurations in varying the key parameters, especially 
317 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the 
318 input matrix. Note that some parameters should be fixed to be invariant to allow the 
319 comparison like some program input arguments. \\
320
321 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
322
323 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in 
324 a grid environment}
325
326 From our previous experience on running distributed application in a 
327 computational grid, many factors are identified to have an impact on the 
328 program behavior and performance on this specific environment. Mainly, 
329 first of all, the architecture of the grid itself can obviously 
330 influence the performance results of the program. The performance gain 
331 might be important theoretically when the number of clusters and/or the 
332 number of nodes (processors/cores) in each individual cluster increase. 
333
334 Another important factor impacting the overall performance of the 
335 application is the network configuration. Two main network parameters 
336 can modify drastically the program output results : (i) the network 
337 bandwidth (bw=bits/s) also known as "the data-carrying capacity" 
338 of the network is defined as the maximum of data that can pass 
339 from one point to another in a unit of time. (ii) the network latency 
340 (lat : microsecond) defined as the delay from the start time to send the 
341 data from a source and the final time the destination have finished to 
342 receive it. Upon the network characteristics, another impacting factor 
343 is the application dependent volume of data exchanged between the nodes 
344 in the cluster and between distant clusters. Large volume of data can be 
345 transferred in transit between the clusters and nodes during the code 
346 execution. 
347
348  In a grid environment, it is common to distinguish in one hand, the 
349 "\,intra-network" which refers to the links between nodes within a 
350 cluster and in the other hand, the "\,inter-network" which is the 
351 backbone link between clusters. By design, these two networks perform 
352 with different speed. The intra-network generally works like a high 
353 speed local network with a high bandwith and very low latency. In 
354 opposite, the inter-network connects clusters sometime via heterogeneous 
355 networks components thru internet with a lower speed. The network 
356 between distant clusters might be a bottleneck for the global 
357 performance of the application. 
358
359 \subsection{Comparing GMRES and Multisplitting algorithms in 
360 synchronous mode}
361
362 In the scope of this paper, our first objective is to demonstrate the 
363 Algo-2 (Multisplitting method) shows a better performance in grid 
364 architecture compared with Algo-1 (Classical GMRES) both running in 
365 \textbf{\textit{synchronous mode}}. Better algorithm performance 
366 should means a less number of iterations output and a less execution time 
367 before reaching the convergence. For a systematic study, the experiments 
368 should figure out that, for various grid parameters values, the 
369 simulator will confirm the targeted outcomes, particularly for poor and 
370 slow networks, focusing on the impact on the communication performance 
371 on the chosen class of algorithm.
372
373 The following paragraphs present the test conditions, the output results 
374 and our comments.\\
375
376
377 \textit{3.a Executing the algorithms on various computational grid 
378 architecture scaling up the input matrix size}
379 \\
380
381 % environment
382 \begin{footnotesize}
383 \begin{tabular}{r c }
384  \hline  
385  Grid & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
386  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
387  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
388  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
389  \end{tabular}
390 Table 1 : Clusters x Nodes with N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \\
391
392 \end{footnotesize}
393
394
395  
396 %\RCE{J'ai voulu mettre les tableaux des données mais je pense que c'est inutile et ça va surcharger}
397
398
399 The results in figure 3 show the non-variation of the number of 
400 iterations of classical GMRES for a given input matrix size; it is not 
401 the case for the multisplitting method. 
402
403 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
404 \begin{figure} [ht!]
405 \centering
406 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
407 \caption{Cluster x Nodes N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170} 
408 %\label{overflow}}
409 \end{figure}
410 %\end{wrapfigure}
411
412 Unless the 8x8 cluster, the time 
413 execution difference between the two algorithms is important when 
414 comparing between different grid architectures, even with the same number of 
415 processors (like 2x16 and 4x8 = 32 processors for example). The 
416 experiment concludes the low sensitivity of the multisplitting method 
417 (compared with the classical GMRES) when scaling up to higher input 
418 matrix size. 
419
420 \textit{\\3.b Running on various computational grid architecture\\}
421
422 % environment
423 \begin{footnotesize}
424 \begin{tabular}{r c }
425  \hline  
426  Grid & 2x16, 4x8\\ %\hline
427  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
428  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
429  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
430  \end{tabular}
431 Table 2 : Clusters x Nodes - Networks N1 x N2 \\
432
433  \end{footnotesize}
434
435
436
437 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
438 \begin{figure} [ht!]
439 \centering
440 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
441 \caption{Cluster x Nodes N1 x N2}
442 %\label{overflow}}
443 \end{figure}
444 %\end{wrapfigure}
445
446 The experiments compare the behavior of the algorithms running first on 
447 a speed inter- cluster network (N1) and a less performant network (N2). 
448 Figure 4 shows that end users will gain to reduce the execution time 
449 for both algorithms in using a grid architecture like 4x16 or 8x8: the 
450 performance was increased in a factor of 2. The results depict also that 
451 when the network speed drops down, the difference between the execution 
452 times can reach more than 25\%. 
453
454 \textit{\\3.c Network latency impacts on performance\\}
455
456 % environment
457 \begin{footnotesize}
458 \begin{tabular}{r c }
459  \hline  
460  Grid & 2x16\\ %\hline
461  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
462  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline\\
463  \end{tabular}
464 Table 3 : Network latency impact \\
465
466 \end{footnotesize}
467
468
469
470 \begin{figure} [ht!]
471 \centering
472 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
473 \caption{Network latency impact on execution time}
474 %\label{overflow}}
475 \end{figure}
476
477
478 According the results in figure 5, degradation of the network 
479 latency from 8.10$^{-6}$ to 6.10$^{-5}$ implies an absolute time 
480 increase more than 75\% (resp. 82\%) of the execution for the classical 
481 GMRES (resp. multisplitting) algorithm. In addition, it appears that the 
482 multisplitting method tolerates more the network latency variation with 
483 a less rate increase of the execution time. Consequently, in the worst case (lat=6.10$^{-5
484 }$), the execution time for GMRES is almost the double of the time for 
485 the multisplitting, even though, the performance was on the same order 
486 of magnitude with a latency of 8.10$^{-6}$. 
487
488 \textit{\\3.d Network bandwidth impacts on performance\\}
489
490 % environment
491 \begin{footnotesize}
492 \begin{tabular}{r c }
493  \hline  
494  Grid & 2x16\\ %\hline
495  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
496  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
497  \end{tabular}
498 Table 4 : Network bandwidth impact \\
499
500 \end{footnotesize}
501
502
503 \begin{figure} [ht!]
504 \centering
505 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
506 \caption{Network bandwith impact on execution time}
507 %\label{overflow}
508 \end{figure}
509
510
511
512 The results of increasing the network bandwidth depict the improvement 
513 of the performance by reducing the execution time for both of the two 
514 algorithms (Figure 6). However, and again in this case, the multisplitting method 
515 presents a better performance in the considered bandwidth interval with 
516 a gain of 40\% which is only around 24\% for classical GMRES.
517
518 \textit{\\3.e Input matrix size impacts on performance\\}
519
520 % environment
521 \begin{footnotesize}
522 \begin{tabular}{r c }
523  \hline  
524  Grid & 4x8\\ %\hline
525  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
526  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline \\
527  \end{tabular}
528 Table 5 : Input matrix size impact\\
529
530 \end{footnotesize}
531
532
533 \begin{figure} [ht!]
534 \centering
535 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
536 \caption{Pb size impact on execution time}
537 %\label{overflow}}
538 \end{figure}
539
540 In this experimentation, the input matrix size has been set from 
541 N$_{x}$ = N$_{y}$ = N$_{z}$ = 40 to 200 side elements that is from 40$^{3}$ = 64.000 to 
542 200$^{3}$ = 8.000.000 points. Obviously, as shown in the figure 7, 
543 the execution time for the two algorithms convergence increases with the 
544 input matrix size. But the interesting results here direct on (i) the 
545 drastic increase (300 times) of the number of iterations needed before 
546 the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size 
547 go beyond N$_{x}$=150; (ii) the classical GMRES execution time also almost 
548 the double from N$_{x}$=140 compared with the convergence time of the 
549 multisplitting method. These findings may help a lot end users to setup 
550 the best and the optimal targeted environment for the application 
551 deployment when focusing on the problem size scale up. Note that the 
552 same test has been done with the grid 2x16 getting the same conclusion.
553
554 \textit{\\3.f CPU Power impact on performance\\}
555
556 % environment
557 \begin{footnotesize}
558 \begin{tabular}{r c }
559  \hline  
560  Grid & 2x16\\ %\hline
561  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5E-05 \\ %\hline
562  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
563  \end{tabular}
564 Table 6 : CPU Power impact \\
565
566 \end{footnotesize}
567
568
569 \begin{figure} [ht!]
570 \centering
571 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
572 \caption{CPU Power impact on execution time}
573 %\label{overflow}}
574 \end{figure}
575
576 Using the SIMGRID simulator flexibility, we have tried to determine the 
577 impact on the algorithms performance in varying the CPU power of the 
578 clusters nodes from 1 to 19 GFlops. The outputs depicted in the figure 6 
579 confirm the performance gain, around 95\% for both of the two methods, 
580 after adding more powerful CPU. Note that the execution time axis in the 
581 figure is in logarithmic scale.
582
583 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and 
584 Multisplitting algorithms in asynchronous mode}
585
586 The previous paragraphs put in evidence the interests to simulate the 
587 behavior of the application before any deployment in a real environment. 
588 We have focused the study on analyzing the performance in varying the 
589 key factors impacting the results. In the same line, the study compares 
590 the performance of the two proposed methods in \textbf{synchronous mode
591 }. In this section, with the same previous methodology, the goal is to 
592 demonstrate the efficiency of the multisplitting method in \textbf{
593 asynchronous mode} compare with the classical GMRES staying in the 
594 synchronous mode.
595
596 Note that the interest of using the asynchronous mode for data exchange 
597 is mainly, in opposite of the synchronous mode, the non-wait aspects of 
598 the current computation after a communication operation like sending 
599 some data between nodes. Each processor can continue their local 
600 calculation without waiting for the end of the communication. Thus, the 
601 asynchronous may theoretically reduce the overall execution time and can 
602 improve the algorithm performance.
603
604 As stated supra, SIMGRID simulator tool has been used to prove the 
605 efficiency of the multisplitting in asynchronous mode and to find the 
606 best combination of the grid resources (CPU, Network, input matrix size, 
607 \ldots ) to get the highest "\,relative gain" in comparison with the 
608 classical GMRES time. 
609
610
611 The test conditions are summarized in the table below : \\
612
613 % environment
614 \begin{footnotesize}
615 \begin{tabular}{r c }
616  \hline  
617  Grid & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
618  Processors & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
619    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5E-05 \\ %\hline
620    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2E-02\\
621  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
622  Residual error precision: 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
623  \end{tabular}
624 \end{footnotesize}
625
626 Again, comprehensive and extensive tests have been conducted varying the 
627 CPU power and the network parameters (bandwidth and latency) in the 
628 simulator tool with different problem size. The relative gains greater 
629 than 1 between the two algorithms have been captured after each step of 
630 the test. Table I below has recorded the best grid configurations 
631 allowing a multiplitting method time more than 2.5 times lower than 
632 classical GMRES execution and convergence time. The finding thru this 
633 experimentation is the tolerance of the multisplitting method under a 
634 low speed network that we encounter usually with distant clusters thru the 
635 internet.
636
637 % use the same column width for the following three tables
638 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
639 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
640   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
641   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
642                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
643     \end{tabular}}
644
645 \begin{table}[!t]
646   \centering
647   \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with 
648 the classical GMRES}
649   \label{"Table 7"}
650
651   \begin{mytable}{6}
652     \hline
653     bandwidth (Mbit/s)
654     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5 \\
655     \hline
656     latency (ms)
657     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
658     \hline
659     power (GFlops)
660     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
661     \hline
662     size (N)
663     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100 \\
664     \hline
665     Precision
666     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} \\
667     \hline
668     Relative gain
669     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 \\
670     \hline
671   \end{mytable}
672
673   \smallskip
674
675   \begin{mytable}{6}
676     \hline
677     bandwidth (Mbit/s)
678     & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
679     \hline
680     latency (ms)
681     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
682     \hline
683     power (GFlops)
684     & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
685     \hline
686     size (N)
687     & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
688     \hline
689     Precision
690     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11}\\
691     \hline
692     Relative gain
693     & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
694     \hline
695   \end{mytable}
696 \end{table}
697
698 \section{Conclusion}
699 CONCLUSION
700
701
702 \section*{Acknowledgment}
703
704
705 The authors would like to thank\dots{}
706
707
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709 \bibliography{biblio}
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