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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}}
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26 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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54
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61
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69
70
71
72 \begin{document} \RCE{Titre a confirmer.} \title{Comparative performance
73 analysis of simulated grid-enabled numerical iterative algorithms}
74 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
75
76 \author{    Charles Emile Ramamonjisoa and
77     David Laiymani and
78     Arnaud Giersch and
79     Lilia Ziane Khodja and
80     Raphaël Couturier
81 }
82
83 \address{
84         \centering
85     Femto-ST Institute - DISC Department\\
86     Université de Franche-Comté\\
87     Belfort\\
88     Email: \email{{raphael.couturier,arnaud.giersch,david.laiymani,charles.ramamonjisoa}@univ-fcomte.fr}
89 }
90
91 %% Lilia Ziane Khodja: Department of Aerospace \& Mechanical Engineering\\ Non Linear Computational Mechanics\\ University of Liege\\ Liege, Belgium. Email: l.zianekhodja@ulg.ac.be
92
93 \begin{abstract}   The behavior of multicore applications is always a challenge
94 to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been
95 performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build
96 accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation
97 tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
98 bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
99 applications. We have decided to use SimGrid as it enables to benchmark MPI
100 applications.
101
102 In this paper, we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
103 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
104 These algorithms  are used to  solve libear  systems. Two different  variantsof
105 the Multisplitting are studied: one  using synchronoous  iterations and  another
106 one  with asynchronous iterations. For each algorithm we have  tested different
107 parameters to see their influence.  We strongly  recommend people  interested
108 by investing  into a  new expensive  hardware  architecture  to   benchmark
109 their  applications  using  a simulation tool before.
110
111
112
113
114 \end{abstract}
115
116 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
117 %performance} 
118 \keywords{Multisplitting algorithms, Synchronous and asynchronous iterations, SimGrid, Simulation, Performance evaluation}
119
120 \maketitle
121
122 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures for solving large
123 scientific problems seems to  become imperative  in  a  lot  of  cases.
124 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
125 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
126 complex parallel applications operating on a large amount of data.
127 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
128 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
129 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
130 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
131 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
132 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
133 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
134 code debugging, ability to obtain results quickly,~\ldots at the condition that
135 the simulation results are in education with the real ones.
136
137 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
138 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
139 simple. It generally involves the division of the problem into  several
140 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
141 units.  Each processing unit has to compute an iteration, to send/receive some
142 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
143 convergence of the method. Several well-known methods demonstrate the
144 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
145 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
146 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a synchronous
147 scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new iteration without
148 having to wait for the data dependencies coming from its neighbors. Both
149 communication and computations are asynchronous inducing that there is no more
150 idle times, due to synchronizations, between two iterations~\cite{bcvc06:ij}.
151 This model presents some advantages and drawbacks that we detail in
152 section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of iterations required to
153 converge is generally  greater  than for the synchronous  case, it appears that
154 the asynchronous  iterative scheme  can significantly  reduce  overall execution
155 times by  suppressing idle  times due to  synchronizations~(see~\cite{bahi07}
156 for more details).
157
158 Nevertheless, in both cases (synchronous or asynchronous) it is very time
159 consuming to find optimal configuration and deployment requirements  for a given
160 application on a given multi-core architecture. Finding good resource
161 allocations policies under varying CPU power, network speeds and  loads is very
162 challenging and labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
163 problematic is even more difficult for the asynchronous scheme  where variations
164 of the parameters of the execution platform can lead to very different number of
165 iterations required to converge and so to very different execution times. In
166 this challenging context we think that the use of a simulation tool can greatly
167 leverage the possibility of testing various platform scenarios.
168
169 The main contribution of this paper is to show that the use of a simulation tool
170 (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real  parallel
171 applications (i.e. large linear system solvers) can help developers to better
172 tune their application for a given multi-core architecture. To show the validity
173 of this approach we first compare the simulated execution of the multisplitting
174 algorithm  with  the  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual)
175 solver~\cite{saad86} in synchronous mode. The obtained results on different
176 simulated multi-core architectures confirm the real results previously obtained
177 on non simulated architectures.  We also confirm  the efficiency  of the
178 asynchronous  multisplitting algorithm  comparing to the synchronous  GMRES. In
179 this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
180 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
181 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
182 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
183 asynchronous iterative application.
184
185 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
186 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
187 section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
188 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
189 experimental results are presented in section~\ref{sec:expe} followed by some
190 concluding remarks and perspectives.
191
192
193 \section{The asynchronous iteration model}
194 \label{sec:asynchro}
195
196 \section{SimGrid}
197  \label{sec:simgrid}
198
199 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
200 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
201
202 \section{Two-stage multisplitting methods}
203 \label{sec:04}
204 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
205 \label{sec:04.01}
206 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 $\mathbb{R}$
207 \begin{equation}
208 Ax=b,
209 \label{eq:01}
210 \end{equation}
211 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
212 \begin{equation}
213 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
214 \label{eq:02}
215 \end{equation}
216 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
217 \begin{equation}
218 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
219 \label{eq:03}
220 \end{equation}
221 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}.
222
223 \begin{figure}[t]
224 %\begin{algorithm}[t]
225 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
226 \begin{algorithmic}[1]
227   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
228   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
229   \State Set the initial guess $x^0$
230   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
231     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
232     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
233     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
234     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
235   \EndFor
236 \end{algorithmic}
237 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
238 \label{alg:01}
239 %\end{algorithm}
240 \end{figure}
241
242 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
243 \begin{equation}
244 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
245 \label{eq:04}
246 \end{equation}
247 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
248
249 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
250 \begin{equation}
251 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
252 \label{eq:05}
253 \end{equation}
254 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual
255 \begin{equation}
256 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
257 \label{eq:06}
258 \end{equation}
259 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}).
260
261 \begin{figure}[t]
262 %\begin{algorithm}[t]
263 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
264 \begin{algorithmic}[1]
265   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
266   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
267   \State Set the initial guess $x^0$
268   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
269     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
270     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
271     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
272     \If{$k\mod s = 0$}
273        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
274        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
275        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
276        \Else
277          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
278     \EndIf
279     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
280   \EndFor
281 \end{algorithmic}
282 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
283 \label{alg:02}
284 %\end{algorithm}
285 \end{figure}
286
287 \subsection{Simulation of two-stage methods using SimGrid framework}
288 \label{sec:04.02}
289
290 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.
291
292
293 \paragraph{SIMGRID Simulator parameters}
294
295 \begin{itemize}
296         \item hostfile: Hosts description file.
297         \item plarform: File describing the platform architecture : clusters (CPU power,
298 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
299 latency lat, \dots{}).
300         \item archi   : Grid computational description (Number of clusters, Number of
301 nodes/processors for each cluster).
302 \end{itemize}
303
304
305 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
306
307 \begin{itemize}
308         \item Maximum number of inner and outer iterations;
309         \item Inner and outer precisions;
310         \item Matrix size (N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$);
311         \item Matrix diagonal value = 6.0;
312         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
313 \end{itemize}
314
315 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.
316
317 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
318 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
319
320 \section{Experimental Results}
321 \label{sec:expe}
322
323
324 \subsection{Setup study and Methodology}
325
326 To conduct our study, we have put in place the following methodology
327 which can be reused for any grid-enabled applications.
328
329 \textbf{Step 1} : Choose with the end users the class of algorithms or
330 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
331 have been chosen for the study in this paper. \\
332
333 \textbf{Step 2} : Collect the software materials needed for the
334 experimentation. In our case, we have two variants algorithms for the
335 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
336 distributed applications. SIMGRID is running on the Mesocentre datacenter in Franche-Comte University but also in a virtual machine on a laptop. \\
337
338 \textbf{Step 3} : Fix the criteria which will be used for the future
339 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
340 in one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
341 and in the other hand the execution time and the number of iterations of
342 the application before obtaining the convergence. \\
343
344 \textbf{Step 4 }: Setup up the different grid testbeds environment
345 which will be simulated in the simulator tool to run the program. The
346 following architecture has been configured in Simgrid : 2x16 - that is a
347 grid containing 2 clusters with 16 hosts (processors/cores) each -, 4x8,
348 4x16, 8x8 and 2x50. The network has been designed to operate with a
349 bandwidth equals to 10Gbits (resp. 1Gbits/s) and a latency of 8E-6
350 microseconds (resp. 5E-5) for the intra-clusters links (resp.
351 inter-clusters backbone links). \\
352
353 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
354 within these configurations in varying the key parameters, especially
355 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
356 input matrix. Note that some parameters should be fixed to be invariant to allow the
357 comparison like some program input arguments. \\
358
359 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
360
361 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
362 a grid environment}
363
364 From our previous experience on running distributed application in a
365 computational grid, many factors are identified to have an impact on the
366 program behavior and performance on this specific environment. Mainly,
367 first of all, the architecture of the grid itself can obviously
368 influence the performance results of the program. The performance gain
369 might be important theoretically when the number of clusters and/or the
370 number of nodes (processors/cores) in each individual cluster increase.
371
372 Another important factor impacting the overall performance of the
373 application is the network configuration. Two main network parameters
374 can modify drastically the program output results : (i) the network
375 bandwidth (bw=bits/s) also known as "the data-carrying capacity"
376 of the network is defined as the maximum of data that can pass
377 from one point to another in a unit of time. (ii) the network latency
378 (lat : microsecond) defined as the delay from the start time to send the
379 data from a source and the final time the destination have finished to
380 receive it. Upon the network characteristics, another impacting factor
381 is the application dependent volume of data exchanged between the nodes
382 in the cluster and between distant clusters. Large volume of data can be
383 transferred in transit between the clusters and nodes during the code
384 execution.
385
386  In a grid environment, it is common to distinguish in one hand, the
387 "\,intra-network" which refers to the links between nodes within a
388 cluster and in the other hand, the "\,inter-network" which is the
389 backbone link between clusters. By design, these two networks perform
390 with different speed. The intra-network generally works like a high
391 speed local network with a high bandwith and very low latency. In
392 opposite, the inter-network connects clusters sometime via heterogeneous
393 networks components thru internet with a lower speed. The network
394 between distant clusters might be a bottleneck for the global
395 performance of the application.
396
397 \subsection{Comparing GMRES and Multisplitting algorithms in
398 synchronous mode}
399
400 In the scope of this paper, our first objective is to demonstrate the
401 Algo-2 (Multisplitting method) shows a better performance in grid
402 architecture compared with Algo-1 (Classical GMRES) both running in
403 \textbf{\textit{synchronous mode}}. Better algorithm performance
404 should means a less number of iterations output and a less execution time
405 before reaching the convergence. For a systematic study, the experiments
406 should figure out that, for various grid parameters values, the
407 simulator will confirm the targeted outcomes, particularly for poor and
408 slow networks, focusing on the impact on the communication performance
409 on the chosen class of algorithm.
410
411 The following paragraphs present the test conditions, the output results
412 and our comments.\\
413
414
415 \textit{3.a Executing the algorithms on various computational grid
416 architecture scaling up the input matrix size}
417 \\
418
419 % environment
420 \begin{footnotesize}
421 \begin{tabular}{r c }
422  \hline
423  Grid & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
424  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
425  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
426  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
427  \end{tabular}
428 Table 1 : Clusters x Nodes with N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \\
429
430 \end{footnotesize}
431
432
433
434 %\RCE{J'ai voulu mettre les tableaux des données mais je pense que c'est inutile et ça va surcharger}
435
436
437 The results in figure 3 show the non-variation of the number of
438 iterations of classical GMRES for a given input matrix size; it is not
439 the case for the multisplitting method.
440
441 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
442 \begin{figure} [ht!]
443 \centering
444 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
445 \caption{Cluster x Nodes N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170}
446 %\label{overflow}}
447 \end{figure}
448 %\end{wrapfigure}
449
450 Unless the 8x8 cluster, the time
451 execution difference between the two algorithms is important when
452 comparing between different grid architectures, even with the same number of
453 processors (like 2x16 and 4x8 = 32 processors for example). The
454 experiment concludes the low sensitivity of the multisplitting method
455 (compared with the classical GMRES) when scaling up to higher input
456 matrix size.
457
458 \textit{\\3.b Running on various computational grid architecture\\}
459
460 % environment
461 \begin{footnotesize}
462 \begin{tabular}{r c }
463  \hline
464  Grid & 2x16, 4x8\\ %\hline
465  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
466  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
467  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
468  \end{tabular}
469 Table 2 : Clusters x Nodes - Networks N1 x N2 \\
470
471  \end{footnotesize}
472
473
474
475 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
476 \begin{figure} [ht!]
477 \centering
478 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
479 \caption{Cluster x Nodes N1 x N2}
480 %\label{overflow}}
481 \end{figure}
482 %\end{wrapfigure}
483
484 The experiments compare the behavior of the algorithms running first on
485 a speed inter- cluster network (N1) and a less performant network (N2).
486 Figure 4 shows that end users will gain to reduce the execution time
487 for both algorithms in using a grid architecture like 4x16 or 8x8: the
488 performance was increased in a factor of 2. The results depict also that
489 when the network speed drops down, the difference between the execution
490 times can reach more than 25\%.
491
492 \textit{\\3.c Network latency impacts on performance\\}
493
494 % environment
495 \begin{footnotesize}
496 \begin{tabular}{r c }
497  \hline
498  Grid & 2x16\\ %\hline
499  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
500  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline\\
501  \end{tabular}
502 Table 3 : Network latency impact \\
503
504 \end{footnotesize}
505
506
507
508 \begin{figure} [ht!]
509 \centering
510 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
511 \caption{Network latency impact on execution time}
512 %\label{overflow}}
513 \end{figure}
514
515
516 According the results in figure 5, degradation of the network
517 latency from 8.10$^{-6}$ to 6.10$^{-5}$ implies an absolute time
518 increase more than 75\% (resp. 82\%) of the execution for the classical
519 GMRES (resp. multisplitting) algorithm. In addition, it appears that the
520 multisplitting method tolerates more the network latency variation with
521 a less rate increase of the execution time. Consequently, in the worst case (lat=6.10$^{-5
522 }$), the execution time for GMRES is almost the double of the time for
523 the multisplitting, even though, the performance was on the same order
524 of magnitude with a latency of 8.10$^{-6}$.
525
526 \textit{\\3.d Network bandwidth impacts on performance\\}
527
528 % environment
529 \begin{footnotesize}
530 \begin{tabular}{r c }
531  \hline
532  Grid & 2x16\\ %\hline
533  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
534  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
535  \end{tabular}
536 Table 4 : Network bandwidth impact \\
537
538 \end{footnotesize}
539
540
541 \begin{figure} [ht!]
542 \centering
543 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
544 \caption{Network bandwith impact on execution time}
545 %\label{overflow}
546 \end{figure}
547
548
549
550 The results of increasing the network bandwidth depict the improvement
551 of the performance by reducing the execution time for both of the two
552 algorithms (Figure 6). However, and again in this case, the multisplitting method
553 presents a better performance in the considered bandwidth interval with
554 a gain of 40\% which is only around 24\% for classical GMRES.
555
556 \textit{\\3.e Input matrix size impacts on performance\\}
557
558 % environment
559 \begin{footnotesize}
560 \begin{tabular}{r c }
561  \hline
562  Grid & 4x8\\ %\hline
563  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
564  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline \\
565  \end{tabular}
566 Table 5 : Input matrix size impact\\
567
568 \end{footnotesize}
569
570
571 \begin{figure} [ht!]
572 \centering
573 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
574 \caption{Pb size impact on execution time}
575 %\label{overflow}}
576 \end{figure}
577
578 In this experimentation, the input matrix size has been set from
579 N$_{x}$ = N$_{y}$ = N$_{z}$ = 40 to 200 side elements that is from 40$^{3}$ = 64.000 to
580 200$^{3}$ = 8.000.000 points. Obviously, as shown in the figure 7,
581 the execution time for the two algorithms convergence increases with the
582 input matrix size. But the interesting results here direct on (i) the
583 drastic increase (300 times) of the number of iterations needed before
584 the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
585 go beyond N$_{x}$=150; (ii) the classical GMRES execution time also almost
586 the double from N$_{x}$=140 compared with the convergence time of the
587 multisplitting method. These findings may help a lot end users to setup
588 the best and the optimal targeted environment for the application
589 deployment when focusing on the problem size scale up. Note that the
590 same test has been done with the grid 2x16 getting the same conclusion.
591
592 \textit{\\3.f CPU Power impact on performance\\}
593
594 % environment
595 \begin{footnotesize}
596 \begin{tabular}{r c }
597  \hline
598  Grid & 2x16\\ %\hline
599  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5E-05 \\ %\hline
600  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
601  \end{tabular}
602 Table 6 : CPU Power impact \\
603
604 \end{footnotesize}
605
606
607 \begin{figure} [ht!]
608 \centering
609 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
610 \caption{CPU Power impact on execution time}
611 %\label{overflow}}
612 \end{figure}
613
614 Using the SIMGRID simulator flexibility, we have tried to determine the
615 impact on the algorithms performance in varying the CPU power of the
616 clusters nodes from 1 to 19 GFlops. The outputs depicted in the figure 6
617 confirm the performance gain, around 95\% for both of the two methods,
618 after adding more powerful CPU. Note that the execution time axis in the
619 figure is in logarithmic scale.
620
621 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and
622 Multisplitting algorithms in asynchronous mode}
623
624 The previous paragraphs put in evidence the interests to simulate the
625 behavior of the application before any deployment in a real environment.
626 We have focused the study on analyzing the performance in varying the
627 key factors impacting the results. In the same line, the study compares
628 the performance of the two proposed methods in \textbf{synchronous mode
629 }. In this section, with the same previous methodology, the goal is to
630 demonstrate the efficiency of the multisplitting method in \textbf{
631 asynchronous mode} compare with the classical GMRES staying in the
632 synchronous mode.
633
634 Note that the interest of using the asynchronous mode for data exchange
635 is mainly, in opposite of the synchronous mode, the non-wait aspects of
636 the current computation after a communication operation like sending
637 some data between nodes. Each processor can continue their local
638 calculation without waiting for the end of the communication. Thus, the
639 asynchronous may theoretically reduce the overall execution time and can
640 improve the algorithm performance.
641
642 As stated supra, SIMGRID simulator tool has been used to prove the
643 efficiency of the multisplitting in asynchronous mode and to find the
644 best combination of the grid resources (CPU, Network, input matrix size,
645 \ldots ) to get the highest "\,relative gain" in comparison with the
646 classical GMRES time.
647
648
649 The test conditions are summarized in the table below : \\
650
651 % environment
652 \begin{footnotesize}
653 \begin{tabular}{r c }
654  \hline
655  Grid & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
656  Processors & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
657    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5E-05 \\ %\hline
658    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2E-02\\
659  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
660  Residual error precision: 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
661  \end{tabular}
662 \end{footnotesize}
663
664 Again, comprehensive and extensive tests have been conducted varying the
665 CPU power and the network parameters (bandwidth and latency) in the
666 simulator tool with different problem size. The relative gains greater
667 than 1 between the two algorithms have been captured after each step of
668 the test. Table I below has recorded the best grid configurations
669 allowing a multiplitting method time more than 2.5 times lower than
670 classical GMRES execution and convergence time. The finding thru this
671 experimentation is the tolerance of the multisplitting method under a
672 low speed network that we encounter usually with distant clusters thru the
673 internet.
674
675 % use the same column width for the following three tables
676 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
677 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
678   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
679   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
680                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
681     \end{tabular}}
682
683 \begin{table}[!t]
684   \centering
685   \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with
686 the classical GMRES}
687   \label{"Table 7"}
688
689   \begin{mytable}{6}
690     \hline
691     bandwidth (Mbit/s)
692     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5 \\
693     \hline
694     latency (ms)
695     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
696     \hline
697     power (GFlops)
698     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
699     \hline
700     size (N)
701     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100 \\
702     \hline
703     Precision
704     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} \\
705     \hline
706     Relative gain
707     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 \\
708     \hline
709   \end{mytable}
710
711   \smallskip
712
713   \begin{mytable}{6}
714     \hline
715     bandwidth (Mbit/s)
716     & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
717     \hline
718     latency (ms)
719     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
720     \hline
721     power (GFlops)
722     & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
723     \hline
724     size (N)
725     & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
726     \hline
727     Precision
728     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11}\\
729     \hline
730     Relative gain
731     & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
732     \hline
733   \end{mytable}
734 \end{table}
735
736 \section{Conclusion}
737 CONCLUSION
738
739
740 \section*{Acknowledgment}
741
742
743 The authors would like to thank\dots{}
744
745
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