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[rce2015.git] / paper.tex
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75 \begin{document}
76 \title{Grid-enabled simulation of large-scale linear iterative solvers}
77 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
78
79 \author{Charles Emile Ramamonjisoa\affil{1},
80   Lilia Ziane Khodja\affil{2},
81   David Laiymani\affil{1},
82   Raphaël Couturier\affil{1} and
83   Arnaud Giersch\affil{1}
84 }
85
86 \address{
87   \affilnum{1}%
88   Femto-ST Institute, DISC Department,
89   University of Franche-Comté,
90   Belfort, France.
91   Email:~\email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,raphael.couturier,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}\break
92   \affilnum{2}
93   Department of Aerospace \& Mechanical Engineering,
94   Non Linear Computational Mechanics,
95   University of Liege, Liege, Belgium.
96   Email:~\email{l.zianekhodja@ulg.ac.be}
97 }
98
99 \begin{abstract} %% The behavior of multi-core applications is always a challenge
100 %% to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been
101 %% performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build
102 %% accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation
103 %% tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
104 %% bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
105 %% applications. The main contribution of this paper is to show that the use of a
106 %% simulation tool (here we have decided to use the SimGrid toolkit) can really
107 %% help developers to better tune their applications for a given multi-core
108 %% architecture.
109
110 %% In this paper we focus our attention on the simulation of iterative algorithms to solve sparse linear systems on large clusters. We study the behavior of the widely used GMRES algorithm and two different variants of the Multisplitting algorithms: one using synchronous iterations and another one with asynchronous iterations.
111 %% For each algorithm we have simulated
112 %% different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
113 %% execution time.
114 %% The simulations confirm the real results previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm the efficiency of the asynchronous Multisplitting algorithm on distant clusters compared to the synchronous GMRES algorithm.
115
116 The behavior of multi-core applications always proves quite challenging to predict, especially with a new architecture for which no experiment has yet 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.
117
118 In this paper we focus on the simulation of iterative algorithms to solve sparse linear systems. We study the behavior of the GMRES algorithm and two different variants of the multisplitting algorithms: using synchronous or asynchronous iterations. For each algorithm we have simulated different architecture parameters to evaluate their influence on the overall execution time. The simulations confirm the real results previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm the efficiency of the asynchronous multisplitting algorithm on distant clusters compared to the GMRES algorithm.
119
120 \end{abstract}
121
122 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
123 %performance}
124 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
125
126 \maketitle
127
128 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
129 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
130 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
131 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
132 complex parallel applications operating on a large amount of data.
133 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
134 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
135 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
136 are often very important. So, in this context, it is difficult to optimize a
137 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
138 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
139 simulation environment.  The advantages are numerous: life cycle development,
140 code debugging, ability to obtain results quickly\dots{} In return, the simulation results need to be consistent with the real ones.
141
142 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
143 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
144 simple. It generally involves the division of the problem into  several
145 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
146 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
147 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
148 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
149 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
150 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
151 from its neighbors. The iteration computation is said to follow a
152 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
153 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
154 neighbors. Both communications and computations are \textit{asynchronous}
155 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
156 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
157 that we detail in Section~\ref{sec:asynchro}. Even if the number of
158 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
159 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
160 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
161 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
162
163 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is extremely  time
164 consuming to find optimal configurations  and deployment requirements for a given
165 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
166 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
167 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
168 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
169 parameter variation of the execution platform and of the application data can
170 lead to very different numbers of iterations to reach the convergence and consequently to
171 very different execution times. In this challenging context we think that the
172 use of a simulation tool can greatly leverage the possibility of testing various
173 platform scenarios.
174
175 The  {\bf main  contribution  of  this paper}  is  to show  that  the  use of  a
176 simulation tool (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real
177 parallel applications (i.e. large linear  system solvers) can help developers to
178 better tune their  applications for a given multi-core architecture.  To show the
179 validity of this approach we first compare the simulated execution of the Krylov
180 multisplitting  algorithm   with  the   GMRES  (Generalized   Minimal  RESidual)
181 solver~\cite{saad86} in  synchronous mode.  The simulation  results allow  us to
182 determine  which method  to choose  for a given multi-core  architecture.
183 Moreover, the  obtained results  on different simulated  multi-core architectures
184 confirm the  real results  previously obtained  on real physical architectures.
185 More precisely the simulated results are in accordance (i.e. with the same order
186 of magnitude)  with the works  presented in~\cite{couturier15}, which  show that
187 the synchronous  Krylov multisplitting method  is more efficient  than GMRES  for large
188 scale  clusters.   Simulated   results  also  confirm  the   efficiency  of  the
189 asynchronous  multisplitting   algorithm  compared  to  the   synchronous  GMRES
190 especially in case of geographically distant clusters.
191
192 Thus, with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
193 to run a test campaign  of  real parallel iterative  applications on
194 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
195 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
196 asynchronous iterative application.
197
198 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
199 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
200 Section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
201 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
202 experimental results are presented in Section~\ref{sec:expe} followed by some
203 concluding remarks and perspectives.
204
205
206 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
207 \label{sec:asynchro}
208
209 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years both theoretically and
210 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
211 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
212 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$).  In practice,
213 asynchronous iteration  methods can be used  to solve, for example,  linear and
214 non-linear systems of equations or optimization problems. Interested readers are
215 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
216
217 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
218 studied. Otherwise, there is no guarantee that the  application will reach  the convergence. An
219 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
220 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
221 practice, only  the communications management and  the convergence detection are  different. In
222 the synchronous  mode, iterations are  synchronized, whereas, in  the asynchronous
223 one, they are not.  It should be noticed that non-blocking communications can be
224 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
225 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
226 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
227 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
228 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
229
230 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
231 for the asynchronous scheme (this number depends on  the delay of the
232 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
233 number of iterations is the same as in the sequential mode. Thus, the
234 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
235 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency,~\ldots) and  of  the
236 application can drastically change the number of iterations required to get the
237 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
238 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
239 architectures are often very important. So, prior to deployment and tests it
240 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
241 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produced
242 by simulation are in accordance with reality (i.e. of the same order of
243 magnitude). To our knowledge, there is no study on this problematic.
244
245 \section{SimGrid}
246 \label{sec:simgrid}
247 <<<<<<< HEAD
248 In the scope of this paper, we have chosen the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile} to simulate the behavior of parallel iterative linear solvers on different computational grid configurations. Contrary to most simulators which remain very application-oriented, the SimGrid framework is designed to study the behavior of many large-scale distributed computing platforms as Grids, Peer-to-Peer systems, Clouds or High Performance Computation systems. It is still actively developed by the scientific community and distributed as an open source software.
249
250 SimGrid provides four user interfaces which can be convenient for different distributed applications~\cite{casanova+legrand+quinson.2008.simgrid}. In this paper we are interested in the SMPI user interface (Simulator MPI) which implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0 standard and allows minor modifications of the initial code~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward} (see Section~\ref{sec:04.02}). SMPI enables the direct simulation of the execution, as in real life, of an unmodified MPI distributed application, and gets accurate results with the detailed resources consumption.
251
252 The SimGrid simulator uses at least three XML input files describing the computational grid resources: the number of clusters in the grid, the number of processors/cores in each cluster, the detailed description of the intra and inter networks and the list of the hosts in each cluster (see the details in Section~\ref{sec:expe}). SimGrid uses a fluid model to simulate the program execution. It allows several simulation modes which produce accurate results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}. For instance, the "in vivo" mode really executes the computation but "intercepts" the communications (the execution time is then evaluated according to the parameters of the simulated platform). It is also possible for SimGrid/SMPI to only keep the duration of large computations by skipping them. Moreover the application can be run in an "in vitro" mode by sharing some structures between the simulated processes and thus allowing the use of very large-scale data.
253
254 The choice of SimGrid/SMPI as a simulator tool in this study has been emphasized by the results obtained by several studies to validate, in real environments, the behavior of different network models simulated in SimGrid~\cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}. Other studies underline the comparison between the real MPI application executions and the SimGrid/SMPI ones~\cite{guermouche+renard.2010.first,clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}. These works show the accuracy of SimGrid simulations compared to the executions on real physical architectures.
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266 =======
267 >>>>>>> e2082ae796c90fe550e1ad8e44f43f9d5bfedf95
268
269 In the scope of this paper, we have chosen the SimGrid
270 toolkit~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}
271 to simulate the behavior of parallel iterative linear solvers on different
272 computational grid configurations. In opposite to most of the simulators which
273 are stayed very application-oriented, the SimGrid framework is designed to study
274 the behavior of many large-scale distributed computing platforms as Grids,
275 Peer-to-Peer systems, Clouds or High Performance Computation systems. It is
276 still actively developed by the scientific community and distributed as an open
277 source software.
278
279 SimGrid provides four user interfaces which can be convenient for different
280 distributed applications.  In this paper we are interested on the SMPI
281 (Simulated MPI) user interface which implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
282 standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and allows minor
283 modifications of the initial code (see Section~\ref{sec:04.02}). SMPI enables
284 the direct simulation of the execution, as in the real life, of an unmodified
285 MPI distributed application, and gets accurate results with the detailed
286 resources consumption.
287
288 SimGrid simulator uses an XML input file describing the computational grid
289 resources: the number of clusters in the grid, the number of processors/cores in
290 each cluster, the detailed description of the intra and inter networks and the
291 list of the hosts in each cluster (see the details in
292 Section~\ref{sec:expe}). SimGrid employs a fluid model to simulate the use of
293 these resources along the program execution.  This model produces accurate
294 results while still running relatively
295 fast~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.
296 During the simulation, the computation is really executed, but the communications
297 are intercepted and their execution time evaluated according to the parameters
298 of the simulated platform. It is also possible for SimGrid/SMPI to only keep the
299 duration of large computations by skipping them.  Moreover, when applicable, the
300 application can be run by sharing some in-memory structures between the
301 simulated processes and thus allowing the use of very large-scale data.
302
303 The choice of SimGrid/SMPI as a simulator tool in this study has been emphasized
304 by the results obtained by several studies to validate, in the real
305 environments, the behavior of different network models simulated in
306 SimGrid~\cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}. Other studies underline
307 the comparison between the real MPI application executions and the SimGrid/SMPI
308 ones~\cite{guermouche+renard.2010.first,clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}. These
309 works show the accuracy of SimGrid simulations compared to the executions on
310 real physical architectures.
311
312 %% In the scope of this paper, the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile},
313 %% an open source framework actively developed by its scientific community, has been chosen to simulate the behavior of iterative linear solvers in different computational grid configurations. SimGrid pretends to be non-specialized in opposite to some other simulators which stayed to be very specific oriented-application. One of the well-known SimGrid advantage is its SMPI (Simulated MPI) user interface. SMPI purpose is to execute by simulation in a similar way as in real life, an MPI distributed application and to get accurate results with the detailed resources
314 %% consumption.Several studies have demonstrated the accuracy of the simulation
315 %% compared with execution on real physical architectures. In addition of SMPI,
316 %% Simgrid provides other API which can be convienent for different distrbuted
317 %% applications: computational grid applications, High Performance Computing (HPC),
318 %% P2P but also clouds applications. In this paper we use the SMPI API. It
319 %% implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0 standard and allows minor
320 %% modifications of the initial code~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}
321 %% (see Section~\ref{sec:04.02}).
322
323
324 %%  Provided as an input to the simulator, at least $3$ XML files describe the
325 %%  computational grid resources: number of clusters in the grid, number of
326 %%  processors/cores in each cluster, detailed description of the intra and inter
327 %%  networks and the list of the hosts in each cluster (see the details in Section~\ref{sec:expe}). Simgrid uses a fluid model to simulate the program execution.
328 %%  This gives several simulation modes which produce accurate
329 %%  results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
330 %%  velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}. For instance, the "in vivo" mode
331 %%  really executes the computation but "intercepts" the communications (running
332 %%  time is then evaluated according to the parameters of the simulated platform).
333 %%  It is also possible for SimGrid/SMPI to only keep duration of large
334 %%  computations by skipping them. Moreover the application can be run "in vitro"
335 %%  by sharing some in-memory structures between the simulated processes and
336 %%  thus allowing the use of very large data scale.
337
338
339 %% The choice of Simgrid/SMPI as a simulator tool in this study has been emphasized
340 %% by the results obtained by several studies to validate, in real environments,
341 %% the behavior of different network models simulated in
342 %% Simgrid~\cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}. Other studies underline
343 %% the comparison between real MPI executions  and SimGrid/SMPI
344 %% ones\cite{guermouche+renard.2010.first, clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
345 %% bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}. These works show the accuracy of
346 %% SimGrid simulations.
347
348
349
350
351
352
353 % SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile} is a discrete event simulation framework to study the behavior of large-scale distributed computing platforms as Grids, Peer-to-Peer systems, Clouds and High Performance Computation systems. It is widely used to simulate and evaluate heuristics, prototype applications or even assess legacy MPI applications. It is still actively developed by the scientific community and distributed as an open source software.
354 %
355 % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
356 % % SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}
357 % % is a simulation framework to study the behavior of large-scale distributed
358 % % systems.  As its name suggests, it emanates from the grid computing community,
359 % % but is nowadays used to study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The
360 % % early versions of SimGrid date back from 1999, but it is still actively
361 % % developed and distributed as an open source software.  Today, it is one of the
362 % % major generic tools in the field of simulation for large-scale distributed
363 % % systems.
364 %
365 % SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
366 % Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
367 % run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
368 % interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
369 % languages.  SMPI is the interface that has been used for the work described in
370 % this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
371 % standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
372 % applications written in C or Fortran, with little or no modifications (cf Section IV - paragraph B).
373 %
374 % Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
375 % single process.  The application code is really executed, but some operations,
376 % like communications, are intercepted, and their running time is computed
377 % according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
378 % description of this target platform is given as an input for the execution, by
379 % means of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
380 % the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
381 % their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
382 % simulated processes, as well as the simulated running time of the application
383 % are computed according to these properties.
384 %
385 % To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
386 % into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
387 % communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows users to run relatively fast
388 % simulations, while still keeping accurate
389 % results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
390 %   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
391 % simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
392 % to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
393 % skipped, but the results are unimportant for the simulation results, it is
394 % also possible to share dynamically allocated data structures between
395 % several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
396 % These two techniques can help to run simulations on a very large scale.
397 %
398 % The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
399 % See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
400 % referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
401 % real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
402 % SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
403 %   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
404 %   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
405 % SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
406 % applications.
407 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
408
409 \section{Two-stage multisplitting methods}
410 \label{sec:04}
411 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
412 \label{sec:04.01}
413 In this paper we focus on two-stage multisplitting methods in both their 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 $\mathbb{R}$:
414 \begin{equation}
415 Ax=b,
416 \label{eq:01}
417 \end{equation}
418 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:
419 \begin{equation}
420 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
421 \label{eq:02}
422 \end{equation}
423 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 so that each processor or cluster of processors is responsible for solving one splitting as a linear sub-system:
424 \begin{equation}
425 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
426 \label{eq:03}
427 \end{equation}
428 where the 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~\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. Line~\ref{solve}, the linear sub-system~(\ref{eq:03}) is solved in parallel using the 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}.
429
430 \begin{figure}[htpb]
431 %\begin{algorithm}[t]
432 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
433 \begin{algorithmic}[1]
434   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
435   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
436   \State Set the initial guess $x^0$
437   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
438     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
439     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
440     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
441     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
442   \EndFor
443 \end{algorithmic}
444 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
445 \label{alg:01}
446 %\end{algorithm}
447 \end{figure}
448
449 In this paper, we propose two algorithms of two-stage multisplitting methods. The first algorithm is based on the asynchronous scheme 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:
450 \begin{equation}
451 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
452 \label{eq:04}
453 \end{equation}
454 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
455
456 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:
457 \begin{equation}
458 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
459 \label{eq:05}
460 \end{equation}
461 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
462 \begin{equation}
463 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
464 \label{eq:06}
465 \end{equation}
466 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 the CGLS method~\cite{Hestenes52} sosuch 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}).
467
468 \begin{figure}[htbp]
469 %\begin{algorithm}[t]
470 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
471 \begin{algorithmic}[1]
472   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
473   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
474   \State Set the initial guess $x^0$
475   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
476     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
477     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
478     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
479     \If{$k\mod s = 0$}
480        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
481        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
482        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
483        \Else
484          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
485     \EndIf
486     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
487   \EndFor
488 \end{algorithmic}
489 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
490 \label{alg:02}
491 %\end{algorithm}
492 \end{figure}
493
494 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
495 \label{sec:04.02}
496
497 One of our objectives when simulating the  application in SimGrid is, as in real
498 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
499 test reproducibility  under similar  conditions.  According to  our experience,
500 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the SimGrid
501 simulator using SMPI (Simulated MPI). The  first modification is to include SMPI
502 libraries  and related  header files  (\verb+smpi.h+).  The  second modification  is to
503 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
504 SimGrid selector       called      "runtime       automatic      switching"
505 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
506 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
507 SimGrid  to simulate the  grid environment.
508
509 \paragraph{Simulation parameters for SimGrid}
510 \  \\ \noindent  Before running  a SimGrid  benchmark, many  parameters for  the
511 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
512 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
513 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
514
515 \begin{itemize}
516         \item hostfile: hosts description file,
517         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
518 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth $bw$,
519 latency $lat$, \dots{}),
520         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
521 nodes/processors in each cluster).
522 \end{itemize}
523 \noindent
524 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
525
526 \begin{itemize}
527         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
528         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
529         \item matrix sizes of the problem: N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$ on axis $x$, $y$ and $z$ respectively (in our experiments, we solve 3D problem, see Section~\ref{3dpoisson}),
530         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous experiments and $6.2$ for asynchronous ones,
531         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
532         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
533         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
534         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
535         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
536         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
537 \end{itemize}
538
539 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.
540
541 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
542 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
543
544 \section{Experimental results}
545 \label{sec:expe}
546
547 In this section, experiments for both multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
548
549 \subsection{The 3D Poisson problem}
550 \label{3dpoisson}
551 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:
552 \begin{equation}
553 \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
554 \label{eq:07}
555 \end{equation}
556 such that:
557 \begin{equation*}
558 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
559 \end{equation*}
560 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:
561 \begin{equation}
562 \begin{array}{ll}
563 \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))
564 \end{array}
565 \label{eq:08}
566 \end{equation}
567 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
568
569 In the parallel context, the 3D Poisson problem is partitioned into $L\times p$
570 sub-problems such that $L$ is the number of clusters and $p$ is the number of
571 processors in each cluster. We apply the three-dimensional partitioning instead
572 of the row-by-row one in order to reduce the size of the data shared at the
573 sub-problems boundaries. In this case, each processor is in charge of
574 parallelepipedic block of the problem and has at most six neighbors in the same
575 cluster or in distant clusters with which it shares data at boundaries.
576
577 \subsection{Study setup and simulation methodology}
578
579 First, to conduct our study, we propose the following methodology
580 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
581
582 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
583 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
584 have been chosen for the study in this paper. \\
585
586 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
587 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
588 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the multisplitting
589 method. In addition, the SimGrid simulator has been chosen to simulate the
590 behaviors of the distributed applications. SimGrid is running in a virtual
591 machine on a simple laptop. \\
592
593 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
594 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
595 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
596 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
597
598 \textbf{Step 4}: Set up the  different grid testbed environments  that will be
599 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architectures
600 have been configured in SimGrid : 2$\times$16, 4$\times$8, 4$\times$16, 8$\times$8 and 2$\times$50. The first number
601 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
602 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. \\
603
604 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
605 within these configurations by varying the key parameters, especially
606 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
607 input data.  \\
608
609 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
610
611 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in a grid environment}
612
613 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
614 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
615 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
616 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
617 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
618 increase.
619
620 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
621 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
622 the program output results:
623 \begin{enumerate}
624 \item  the network  bandwidth  ($bw$ in bits/s) also  known  as "the  data-carrying
625     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
626     from one point to another in a unit of time.
627 \item the  network latency  ($lat$ in microseconds) defined as  the delay  from the
628   start time to send  a simple data from a source to a destination.
629 \end{enumerate}
630 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
631 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
632
633  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on one hand,  the
634  \textit{intra-network} which refers  to the links between nodes within  a
635  cluster and on  the other  hand, the  \textit{inter-network} which  is the
636  backbone link  between clusters.  In   practice,  these  two   networks  have
637  different   speeds. The intra-network  generally works  like a  high speed
638  local network  with a high bandwidth and very low latency. In opposite, the
639  inter-network connects clusters sometime via  heterogeneous networks components
640  through internet with a lower speed.  The network  between distant  clusters
641  might  be a  bottleneck for  the global performance of the application.
642
643
644 \subsection{Comparison between GMRES and two-stage multisplitting algorithms in
645 synchronous mode}
646 In the scope of this paper, our first objective is to analyze
647 when the synchronous Krylov two-stage method has better performance than the
648 classical GMRES method. With a synchronous iterative method, better performance
649 means a smaller number of iterations and execution time before reaching the
650 convergence.
651
652 Table~\ref{tab:01} summarizes the parameters used in the different simulations:
653 the grid architectures (i.e. the number of clusters and the number of nodes per
654 cluster), the network of inter-clusters backbone links and the matrix sizes of
655 the 3D Poisson problem. However, for all simulations we fix the network
656 parameters of the intra-clusters links: the bandwidth $bw$=10Gbs and the latency
657 $lat=8\mu$s. In what follows, we will present the test conditions, the output
658 results and our comments.
659
660 \begin{table} [ht!]
661 \begin{center}
662 \begin{tabular}{ll}
663 \hline
664 Grid architecture                       & 2$\times$16, 4$\times$8, 4$\times$16 and 8$\times$8\\
665 \multirow{2}{*}{Network inter-clusters} & $N1$: $bw$=10Gbs, $lat=8\mu$s \\
666                                         & $N2$: $bw$=1Gbs, $lat=50\mu$s \\
667 \multirow{2}{*}{Matrix size}            & $Mat1$: N$_{x}\times$N$_{y}\times$N$_{z}$=150$\times$150$\times$150\\
668                                         & $Mat2$: N$_{x}\times$N$_{y}\times$N$_{z}$=170$\times$170$\times$170 \\ \hline
669 \end{tabular}
670 \caption{Parameters for the different simulations}
671 \label{tab:01}
672 \end{center}
673 \end{table}
674
675 \subsubsection{Simulations for various grid architectures and scaling-up matrix sizes\\}
676
677 In  this  section,  we  analyze   the  simulations  conducted  on  various  grid
678 configurations and for different sizes of the 3D Poisson problem. The parameters
679 of    the    network    between    clusters    is    fixed    to    $N2$    (see
680 Table~\ref{tab:01}). Figure~\ref{fig:01} shows, for all grid configurations and
681 a given matrix size of 170$^3$ elements, a  non-variation in the number of
682 iterations for the classical GMRES algorithm, which is not the case of the
683 Krylov two-stage algorithm. In fact, with multisplitting  algorithms, the number
684 of splitting (in our case, it is equal to the number of clusters) influences on the
685 convergence speed. The higher the number  of splitting is, the slower the
686 convergence of the algorithm is (see the output results obtained from
687 configurations 2$\times$16 vs. 4$\times$8 and configurations 4$\times$16 vs.
688 8$\times$8).
689
690 The execution times between both algorithms is significant with different grid
691 architectures. The synchronous Krylov two-stage algorithm presents better
692 performances than the GMRES algorithm, even for a high number of clusters (about
693 $32\%$ more efficient on a grid of 8$\times$8 than GMRES). In addition, we can
694 observe a better sensitivity of the Krylov two-stage algorithm (compared to the
695 GMRES one) when scaling up the number of the processors in the computational
696 grid: the Krylov two-stage algorithm is about $48\%$ and the GMRES algorithm is
697 about $40\%$ better on $64$ processors (grid of 8$\times$8) than $32$ processors
698 (grid of 2$\times$16).
699
700 \begin{figure}[ht]
701 \begin{center}
702 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
703 \end{center}
704 \caption{Various grid configurations with two matrix sizes: $150^3$ and $170^3$}
705 \label{fig:01}
706 \end{figure}
707
708 \subsubsection{Simulations for two different inter-clusters network speeds\\}
709 In  Figure~\ref{fig:02} we  present the  execution times  of both  algorithms to
710 solve a  3D Poisson problem of  size $150^3$ on two  different simulated network
711 $N1$ and $N2$ (see Table~\ref{tab:01}). As previously mentioned, we can see from
712 this figure  that the Krylov two-stage  algorithm is sensitive to  the number of
713 clusters (i.e. it is better to have a small number of clusters). However, we can
714 notice an  interesting behavior of  the Krylov  two-stage algorithm. It  is less
715 sensitive to bad network bandwidth and latency for the inter-clusters links than
716 the  GMRES algorithms.  This  means  that the  multisplitting  methods are  more
717 efficient for distributed systems with high latency networks.
718
719 \begin{figure}[ht]
720 \centering
721 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
722 \caption{Various grid configurations with two networks parameters: $N1$ vs. $N2$}
723 %\LZK{CE, remplacer les ``,'' des décimales par un ``.''}
724 %\RCE{ok}
725 \label{fig:02}
726 \end{figure}
727
728 \subsubsection{Network latency impacts on performances\\}
729 Figure~\ref{fig:03} shows the impact of the network latency on the performances of both algorithms. The simulation is conducted on a computational grid of 2 clusters of 16 processors each (i.e. configuration 2$\times$16) interconnected by a network of bandwidth $bw$=1Gbs to solve a 3D Poisson problem of size $150^3$. According to the results, a degradation of the network latency from $8\mu$s to $60\mu$s implies an absolute execution time increase for both algorithms, but not with the same rate of degradation. The GMRES algorithm is more sensitive to the latency degradation than the Krylov two-stage algorithm.
730
731 \begin{figure}[ht]
732 \centering
733 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
734 \caption{Network latency impacts on performances}
735 \label{fig:03}
736 \end{figure}
737
738 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performances\\}
739
740 Figure~\ref{fig:04} reports the results obtained for the simulation of a grid of
741 $2\times16$ processors interconnected by a network of latency $lat=50\mu$s to
742 solve a 3D Poisson problem of size $150^3$. The results of increasing the
743 network bandwidth from $1$Gbs to $10$Gbs show the performances improvement for
744 both algorithms by reducing the execution times. However, the Krylov two-stage
745 algorithm presents a better performance gain in the considered bandwidth
746 interval with a gain of $40\%$ compared to only about $24\%$ for the classical
747 GMRES algorithm.
748
749 \begin{figure}[ht]
750 \centering
751 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
752 \caption{Network bandwith impacts on performances}
753 \label{fig:04}
754 \end{figure}
755
756 \subsubsection{Matrix size impacts on performances\\}
757
758 In these experiments, the matrix size of the 3D Poisson problem is varied from
759 $50^3$ to $190^3$ elements. The simulated computational grid is composed of $4$
760 clusters of $8$ processors each interconnected by the network $N2$ (see
761 Table~\ref{tab:01}). As shown in Figure~\ref{fig:05}, the execution
762 times for both algorithms increase with increased matrix sizes.  For all problem
763 sizes, the GMRES algorithm is always slower than the Krylov two-stage algorithm.
764 Moreover, for this benchmark, it seems that the greater the problem size is, the
765 bigger the ratio between execution times of both algorithms is. We can also
766 observe that for some problem sizes, the convergence (and thus the execution
767 time) of the Krylov two-stage algorithm varies quite a lot.
768 %This is due to the 3D partitioning of the 3D matrix of the Poisson problem.
769 These findings may help a lot end users to setup the best and the optimal targeted environment for the application deployment when focusing on the problem size scale up.
770
771 \begin{figure}[ht]
772 \centering
773 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
774 \caption{Problem size impacts on performances}
775 \label{fig:05}
776 \end{figure}
777
778 \subsubsection{CPU power impacts on performances\\}
779
780 Using the SimGrid simulator flexibility, we have tried to determine the impact
781 of the CPU power of the processors in the different clusters on performances of
782 both algorithms. We have varied the CPU power from $1$GFlops to $19$GFlops. The
783 simulation is conducted on a grid of $2\times16$ processors interconnected by
784 the network $N2$ (see Table~\ref{tab:01}) to solve a 3D Poisson problem of size
785 $150^3$. The results depicted in Figure~\ref{fig:06} confirm the performance
786 gain, about $95\%$ for both algorithms, after improving the CPU power of
787 processors.
788
789 \begin{figure}[ht]
790 \centering
791 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
792 \caption{CPU Power impacts on performances}
793 \label{fig:06}
794 \end{figure}
795 \ \\
796
797 To conclude these series of experiments, with  SimGrid we have been able to make
798 many simulations  with many parameters  variations. Doing all  these experiments
799 with a real platform is most of the time not possible or very costly. Moreover
800 the behavior of both GMRES and  Krylov two-stage algorithms is in accordance
801 with larger real executions on large scale supercomputers~\cite{couturier15}.
802
803
804 \subsection{Comparison between synchronous GMRES and asynchronous two-stage multisplitting algorithms}
805
806 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
807 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
808 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
809 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
810 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
811
812 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
813 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
814 In  this case,  each  processor can  compute its  iterations  freely without  any
815 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
816 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
817 performance.
818
819 In this section,  the SimGrid simulator is  used to compare the  behavior of the
820 two-stage  algorithm  in  asynchronous  mode with  GMRES  in  synchronous  mode.
821 Several benchmarks  have been  performed with various  combinations of  the grid
822 resources  (CPU,  Network,  matrix  size,   \ldots).  The  test  conditions  are
823 summarized in Table~\ref{tab:02}.
824
825
826
827 %\LZK{Quelle table repporte les gains relatifs?? Sûrement pas Table II !!}
828 %\RCE{Table III avec la nouvelle numerotation}
829
830
831 \begin{table}[htbp]
832 \centering
833 \begin{tabular}{ll}
834  \hline
835  Grid architecture                       & 2$\times$50 totaling 100 processors\\
836  Processors Power                        & 1 GFlops to 1.5 GFlops \\
837  \multirow{2}{*}{Network inter-clusters} & $bw$: 5 Mbits to 50 Mbits\\
838                                          & $lat$: 20 ms\\
839  Matrix size                             & from $62^3$ to $150^3$\\
840  Residual error precision                & $10^{-5}$ to $10^{-11}$\\ \hline \\
841  \end{tabular}
842 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs. two-stage multisplitting in asynchronous mode}
843 \label{tab:02}
844 \end{table}
845
846
847 % use the same column width for the following three tables
848 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
849 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
850   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
851   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
852                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
853     \end{tabular}}
854
855
856 \begin{table}[!t]
857 \centering
858 %\begin{table}
859 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
860 %  \label{"Table 7"}
861  \begin{mytable}{11}
862     \hline
863     bandwidth (Mbit/s)
864     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
865     \hline
866     latency (ms)
867     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
868     \hline
869     power (GFlops)
870     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
871     \hline
872     size ($N^3$)
873     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
874     \hline
875     Precision
876     & \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}\\
877     \hline
878     Relative gain
879     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
880     \hline
881   \end{mytable}
882 %\end{table}
883  \caption{Relative gains of the asynchronous two-stage multisplitting algorithm compared to the classical synchronous GMRES algorithm}
884  \label{tab:03}
885 \end{table}
886
887
888 Table~\ref{tab:03} reports  the relative gains  between both algorithms.   It is
889 defined by the ratio between the execution  time of GMRES and the execution time
890 of the  multisplitting. The ratio is  greater than one because  the asynchronous
891 multisplitting  version  is  faster  than   GMRES.  In  average,  the  two-stage
892 multisplitting algorithm to  be more than $2.5$ times faster  than the classical
893 GMRES.  These experiments also show the relative tolerance of the multisplitting
894 algorithm when using a low speed network as usually observed with geographically
895 distant clusters through the internet.
896
897
898 \section{Conclusion}
899 In this paper we have presented the simulation of the execution of three
900 different parallel solvers on some multi-core architectures. We have shown that
901 the SimGrid toolkit is an interesting simulation tool that has allowed us to
902 determine  which method  to choose  given a  specified multi-core  architecture.
903 Moreover the simulated results are in accordance (i.e. with the same order of
904 magnitude)  with the works  presented in~\cite{couturier15}. Simulated   results
905 also  confirm  the   efficiency  of  the asynchronous  multisplitting
906 algorithm  compared  to  the   synchronous  GMRES especially in case of
907 geographically distant clusters.
908
909 These results are important since it is very  time consuming to find optimal
910 configuration  and deployment requirements for a given application  on   a given
911 multi-core  architecture. Finding   good  resource allocations policies under
912 varying CPU power, network speeds and  loads is very challenging and  labor
913 intensive. This problematic is  even more difficult  for the  asynchronous
914 scheme where  a small parameter variation of the execution platform and of the
915 application data can lead to very different numbers of iterations to reach the
916 converge and so to very different execution times.
917
918
919 In future works, we  plan to investigate how to simulate  the behavior of really
920 large scale  applications. For  example, if  we are  interested to  simulate the
921 execution of the solvers of this paper with thousand or even dozens of thousands
922 of cores,  it is not possible  to do that with  SimGrid. In fact, this  tool will
923 make the real computation. So we plan to focus our research on that problematic.
924
925
926
927 %\section*{Acknowledgment}
928 \ack
929 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
930
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932 \bibliography{biblio}
933
934
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