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DL : conclu. Manque les futurs works
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71
72
73 \begin{document}
74 \title{Grid-enabled simulation of large-scale linear iterative solvers}
75 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
76
77 \author{Charles Emile Ramamonjisoa\affil{1},
78     David Laiymani\affil{1},
79     Arnaud Giersch\affil{1},
80     Lilia Ziane Khodja\affil{2} and
81     Raphaël Couturier\affil{1}
82 }
83
84 \address{
85   \affilnum{1}%
86   Femto-ST Institute, DISC Department,
87   University of Franche-Comté,
88   Belfort, France.
89   Email:~\email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}\break
90   \affilnum{2}
91   Department of Aerospace \& Mechanical Engineering,
92   Non Linear Computational Mechanics,
93   University of Liege, Liege, Belgium.
94   Email:~\email{l.zianekhodja@ulg.ac.be}
95 }
96
97 \begin{abstract}   The behavior of multi-core applications is always a challenge
98 to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been
99 performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build
100 accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation
101 tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
102 bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
103 applications. The main contribution of this paper is to show that the use of a
104 simulation tool (here we have decided to use the SimGrid toolkit) can really
105 help developpers to better tune their applications for a given multi-core
106 architecture.
107
108 In particular we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
109 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
110 These algorithms  are used to  solve linear  systems. Two different  variants of
111 the Multisplitting are studied: one  using synchronoous  iterations and  another
112 one  with asynchronous iterations. For each algorithm we have simulated
113 different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
114 execution time.  The obtain simulated results confirm the real results
115 previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm
116 the efficiency of the asynchronous multisplitting algorithm compared to the
117 synchronous GMRES method.
118
119 \end{abstract}
120
121 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
122 %performance}
123 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
124
125 \maketitle
126
127 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
128 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
129 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
130 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
131 complex parallel applications operating on a large amount of data.
132 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
133 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
134 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
135 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
136 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
137 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
138 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
139 code debugging, ability to obtain results quickly\dots{} In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
140
141 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
142 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
143 simple. It generally involves the division of the problem into  several
144 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
145 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
146 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
147 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
148 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
149 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
150 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a
151 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
152 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
153 neighbors. Both communication and computations are \textit{asynchronous}
154 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
155 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
156 that we detail in section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of
157 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
158 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
159 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
160 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
161
162 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
163 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
164 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
165 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
166 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
167 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
168 parameter variation of the execution platform and of the application data can
169 lead to very different numbers of iterations to reach the converge and so to
170 very different execution times. In this challenging context we think that the
171 use of a simulation tool can greatly leverage the possibility of testing various
172 platform scenarios.
173
174 The  {\bf main  contribution  of  this paper}  is  to show  that  the  use of  a
175 simulation tool (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real
176 parallel applications (i.e. large linear  system solvers) can help developers to
177 better tune their  application for a given multi-core architecture.  To show the
178 validity of this approach we first compare the simulated execution of the Krylov
179 multisplitting  algorithm   with  the   GMRES  (Generalized   Minimal  Residual)
180 solver~\cite{saad86} in  synchronous mode.  The simulation  results allow  us to
181 determine  which method  to choose  given a  specified multi-core  architecture.
182 Moreover the  obtained results  on different simulated  multi-core architectures
183 confirm the  real results  previously obtained  on non  simulated architectures.
184 More precisely the simulated results are in accordance (i.e. with the same order
185 of magnitude)  with the works  presented in~\cite{couturier15}, which  show that
186 the synchronous  multisplitting method  is more efficient  than GMRES  for large
187 scale  clusters.   Simulated   results  also  confirm  the   efficiency  of  the
188 asynchronous  multisplitting   algorithm  compared  to  the   synchronous  GMRES
189 especially in case of geographically distant clusters.
190
191 In this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
192 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
193 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
194 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
195 asynchronous iterative application.
196
197 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
198 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
199 section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
200 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
201 experimental results are presented in section~\ref{sec:expe} followed by some
202 concluding remarks and perspectives.
203
204
205 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
206 \label{sec:asynchro}
207
208 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoritecally and
209 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
210 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
211 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
212 asynchronous iterations  methods can be used  to solve, for example,  linear and
213 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
214 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
215
216 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
217 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
218 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
219 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
220 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
221 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
222 one, they are not.  It should be noticed that non blocking communications can be
223 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
224 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
225 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
226 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
227 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
228
229 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
230 for the asynchronous scheme (this number depends depends on  the delay of the
231 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
232 number of iterations is the same than in the sequential mode. In this way, the
233 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
234 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency, \ldots) and  of  the
235 application can drastically change the number of iterations required to get the
236 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
237 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
238 architecture are often very important. So, prior to delpoyment and tests it
239 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
240 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produce
241 by simulation are in accordance with reality i.e. of the same order of
242 magnitude. To our knowledge, there is no study on this problematic.
243
244 \section{SimGrid}
245 \label{sec:simgrid}
246 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.
247
248 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
249 % SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}
250 % is a simulation framework to study the behavior of large-scale distributed
251 % systems.  As its name suggests, it emanates from the grid computing community,
252 % but is nowadays used to study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The
253 % early versions of SimGrid date back from 1999, but it is still actively
254 % developed and distributed as an open source software.  Today, it is one of the
255 % major generic tools in the field of simulation for large-scale distributed
256 % systems.
257
258 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
259 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
260 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
261 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
262 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work described in
263 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
264 standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
265 applications written in C or Fortran, with little or no modifications (cf Section IV - paragraph B).
266
267 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
268 single process.  The application code is really executed, but some operations,
269 like communications, are intercepted, and their running time is computed
270 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
271 description of this target platform is given as an input for the execution, by
272 means of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
273 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
274 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
275 simulated processes, as well as the simulated running time of the application
276 are computed according to these properties.
277
278 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
279 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
280 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows users to run relatively fast
281 simulations, while still keeping accurate
282 results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
283   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
284 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
285 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
286 skipped, but the results are unimportant for the simulation results, it is
287 also possible to share dynamically allocated data structures between
288 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
289 These two techniques can help to run simulations on a very large scale.
290
291 The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
292 See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
293 referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
294 real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
295 SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
296   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
297   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
298 SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
299 applications.
300 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
301
302 \section{Two-stage multisplitting methods}
303 \label{sec:04}
304 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
305 \label{sec:04.01}
306 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 $\mathbb{R}$:
307 \begin{equation}
308 Ax=b,
309 \label{eq:01}
310 \end{equation}
311 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:
312 \begin{equation}
313 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
314 \label{eq:02}
315 \end{equation}
316 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:
317 \begin{equation}
318 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
319 \label{eq:03}
320 \end{equation}
321 where right-hand sides $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m$ are computed using the shared vectors $x_m$. In this paper, we use the well-known iterative method GMRES ({\it Generalized Minimal RESidual})~\cite{saad86} as an inner iteration to approximate the solutions of the different splittings arising from the block Jacobi multisplitting of matrix $A$. The algorithm in Figure~\ref{alg:01} shows the main key points of our block Jacobi two-stage method executed by a cluster of processors. In line~\ref{solve}, the linear sub-system~(\ref{eq:03}) is solved in parallel using GMRES method where $\MIG$ and $\TOLG$ are the maximum number of inner iterations and the tolerance threshold for GMRES respectively. The convergence of the two-stage multisplitting methods, based on synchronous or asynchronous iterations, has been studied by many authors for example~\cite{Bru95,bahi07}.
322
323 \begin{figure}[t]
324 %\begin{algorithm}[t]
325 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
326 \begin{algorithmic}[1]
327   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
328   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
329   \State Set the initial guess $x^0$
330   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
331     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
332     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
333     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
334     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
335   \EndFor
336 \end{algorithmic}
337 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
338 \label{alg:01}
339 %\end{algorithm}
340 \end{figure}
341
342 In this paper, we propose two algorithms of two-stage multisplitting methods. The first algorithm is based on the asynchronous model which allows communications to be overlapped by computations and reduces the idle times resulting from the synchronizations. So in the asynchronous mode, our two-stage algorithm uses asynchronous outer iterations and asynchronous communications between clusters. The communications (i.e. lines~\ref{send} and~\ref{recv} in Figure~\ref{alg:01}) are performed by message passing using MPI non-blocking communication routines. The convergence of the asynchronous iterations is detected when all clusters have locally converged:
343 \begin{equation}
344 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
345 \label{eq:04}
346 \end{equation}
347 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
348
349 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:
350 \begin{equation}
351 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
352 \label{eq:05}
353 \end{equation}
354 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
355 \begin{equation}
356 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
357 \label{eq:06}
358 \end{equation}
359 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}).
360
361 \begin{figure}[t]
362 %\begin{algorithm}[t]
363 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
364 \begin{algorithmic}[1]
365   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
366   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
367   \State Set the initial guess $x^0$
368   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
369     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
370     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
371     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
372     \If{$k\mod s = 0$}
373        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
374        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
375        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
376        \Else
377          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
378     \EndIf
379     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
380   \EndFor
381 \end{algorithmic}
382 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
383 \label{alg:02}
384 %\end{algorithm}
385 \end{figure}
386
387 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
388 \label{sec:04.02}
389
390 One of our objectives when simulating the  application in Simgrid is, as in real
391 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
392 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
393 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the Simgrid
394 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
395 libraries  and related  header files  (smpi.h).  The  second modification  is to
396 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
397 Simgrid      selector       called      "runtime       automatic      switching"
398 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
399 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
400 Simgrid  to simulate the  grid environment.
401
402 %\RC{On vire cette  phrase ?} \RCE {Si c'est la phrase d'avant sur les threads, je pense qu'on peut la retenir car c'est l'explication du pourquoi Simgrid n'aime pas les variables globales. Si c'est pas bien dit, on peut la reformuler. Si c'est la phrase ci-apres, effectivement, on peut la virer si elle preterais a discussion}The
403 %last modification on the  MPI program pointed out for some  cases, the review of
404 %the sequence of  the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and  MPI\_Waitall instructions which
405 %might cause an infinite loop.
406
407
408 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
409 \  \\ \noindent  Before running  a Simgrid  benchmark, many  parameters for  the
410 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
411 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
412 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
413
414 \begin{itemize}
415         \item hostfile: hosts description file.
416         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
417 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
418 latency lat, \dots{}).
419         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
420 nodes/processors for each cluster).
421 \end{itemize}
422 \noindent
423 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
424
425 \begin{itemize}
426         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
427         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
428         \item matrix sizes of the 3D Poisson problem: N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$ on axis $x$, $y$ and $z$ respectively,
429         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous Krylov multisplitting experiments and $6.2$ for asynchronous block Jacobi experiments,
430         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
431         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
432         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
433         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
434         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
435         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
436 \end{itemize}
437
438 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.
439
440 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
441 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
442
443 \section{Experimental Results}
444 \label{sec:expe}
445
446 In this section, experiments for both Multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
447
448 \subsection{The 3D Poisson problem}
449
450
451 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:
452 \begin{equation}
453 \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
454 \label{eq:07}
455 \end{equation}
456 such that:
457 \begin{equation*}
458 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
459 \end{equation*}
460 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:
461 \begin{equation}
462 \begin{array}{ll}
463 \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))
464 \end{array}
465 \label{eq:08}
466 \end{equation}
467 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
468
469 In the parallel context, the 3D Poisson problem is partitioned into $L\times p$ sub-problems such that $L$ is the number of clusters and $p$ is the number of processors in each cluster. We apply the three-dimensional partitioning instead of the row-by-row one in order to reduce the size of the data shared at the sub-problems boundaries. In this case, each processor is in charge of parallelepipedic block of the problem and has at most six neighbors in the same cluster or in distant clusters with which it shares data at boundaries.
470
471 \subsection{Study setup and simulation methodology}
472
473 First, to conduct our study, we propose the following methodology
474 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
475
476 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
477 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
478 have been chosen for the study in this paper. \\
479
480 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
481 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
482 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the Multisplitting
483 method. In addition, the Simgrid simulator has been chosen to simulate the
484 behaviors of the distributed applications. Simgrid is running in a virtual
485 machine on a simple laptop. \\
486
487 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
488 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
489 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
490 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
491
492 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
493 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architecture
494 has been configured in Simgrid : 2x16, 4x8, 4x16, 8x8 and 2x50. The first number
495 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
496 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network  has been
497 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
498 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
499 (resp.  inter-clusters backbone links). \\
500
501 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
502 within these configurations by varying the key parameters, especially
503 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
504 input data.  \\
505
506 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
507
508 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
509 a grid environment}
510
511 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
512 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
513 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
514 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
515 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
516 increase.
517
518 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
519 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
520 the program output results:
521 \begin{enumerate}
522 \item  the network  bandwidth  (bw=bits/s) also  known  as "the  data-carrying
523     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
524     from one point to another in a unit of time.
525 \item the  network latency  (lat :  microsecond) defined as  the delay  from the
526   start time to send  a simple data from a source to a destination.
527 \end{enumerate}
528 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
529 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
530
531  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
532  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and
533  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
534  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.
535  The intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a
536  high bandwith and very low latency. In opposite, the inter-network connects
537  clusters sometime via  heterogeneous networks components  throuth internet with
538  a lower speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck
539  for  the global performance of the application.
540
541 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov Multisplitting algorithms in synchronous mode}
542
543 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
544 Multisplitting  method   has  better  performance  than   the  classical  GMRES
545 method. With a synchronous  iterative method, better performance means a
546 smaller number of iterations and execution time before reaching the convergence.
547 For a systematic study,  the experiments  should figure  out  that, for  various
548 grid  parameters values, the simulator will confirm  the targeted outcomes,
549 particularly for poor and slow  networks, focusing on the  impact on the
550 communication  performance on the chosen class of algorithm.
551
552 The following paragraphs present the test conditions, the output results
553 and our comments.\\
554
555
556 \subsubsection{Execution of the algorithms on various computational grid
557 architectures and scaling up the input matrix size}
558 \ \\
559 % environment
560
561 \begin{table} [ht!]
562 \begin{center}
563 \begin{tabular}{r c }
564  \hline
565  Grid Architecture & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
566  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
567  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
568  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
569  \end{tabular}
570 \caption{Test conditions: various grid configurations with the input matix size N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \RC{N2 n'est pas défini..}\RC{Nx est défini, Ny? Nz?}
571 \AG{La lettre 'x' n'est pas le symbole de la multiplication. Utiliser \texttt{\textbackslash times}.  Idem dans le texte, les figures, etc.}}
572 \label{tab:01}
573 \end{center}
574 \end{table}
575
576
577
578
579
580 In this  section, we analyze the  performance of algorithms running  on various
581 grid configurations  (2x16, 4x8, 4x16  and 8x8). First,  the results in  Figure~\ref{fig:01}
582 show for all grid configurations the non-variation of the number of iterations of
583 classical  GMRES for  a given  input matrix  size; it is not  the case  for the
584 multisplitting method.
585
586 \RC{CE attention tu n'as pas mis de label dans tes figures, donc c'est le bordel, j'en mets mais vérifie...}
587 \RC{Les légendes ne sont pas explicites...}
588
589
590 \begin{figure} [ht!]
591   \begin{center}
592     \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
593   \end{center}
594   \caption{Various grid configurations with the input matrix size N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170\RC{idem}
595 \AG{Utiliser le point comme séparateur décimal et non la virgule.  Idem dans les autres figures.}}
596   \label{fig:01}
597 \end{figure}
598
599
600 The execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
601 grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2x16
602 and  4x8). We  can  observ  the low  sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
603 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
604 in the  grid: in  average, the GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm performs
605 $40\%$ better (resp. $48\%$) when running from 2x16=32 to 8x8=64 processors. \RC{pas très clair, c'est pas précis de dire qu'un algo perform mieux qu'un autre, selon quel critère?}
606
607 \subsubsection{Running on two different inter-clusters network speeds \\}
608
609 \begin{table} [ht!]
610 \begin{center}
611 \begin{tabular}{r c }
612  \hline
613  Grid Architecture & 2x16, 4x8\\ %\hline
614  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
615  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
616  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
617  \end{tabular}
618 \caption{Test conditions: grid 2x16 and 4x8 with  networks N1 vs N2}
619 \label{tab:02}
620 \end{center}
621 \end{table}
622
623 These experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running first  on a
624 speed inter-cluster  network (N1) and  also on  a less performant  network (N2). \RC{Il faut définir cela avant...}
625 Figure~\ref{fig:02} shows that end users will reduce the execution time
626 for  both  algorithms when using  a  grid  architecture  like  4x16 or  8x8: the reduction is about $2$. The results depict  also that when
627 the  network speed  drops down (variation of 12.5\%), the  difference between  the two Multisplitting algorithms execution times can reach more than 25\%.
628
629
630
631 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
632 \begin{figure} [ht!]
633 \centering
634 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
635 \caption{Grid 2x16 and 4x8 with networks N1 vs N2
636 \AG{\np{8E-6}, \np{5E-6} au lieu de 8E-6, 5E-6}}
637 \label{fig:02}
638 \end{figure}
639 %\end{wrapfigure}
640
641
642 \subsubsection{Network latency impacts on performance}
643 \ \\
644 \begin{table} [ht!]
645 \centering
646 \begin{tabular}{r c }
647  \hline
648  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
649  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
650  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
651  \end{tabular}
652 \caption{Test conditions: network latency impacts}
653 \label{tab:03}
654 \end{table}
655
656
657
658 \begin{figure} [ht!]
659 \centering
660 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
661 \caption{Network latency impacts on execution time
662 \AG{\np{E-6}}}
663 \label{fig:03}
664 \end{figure}
665
666
667 According to  the results of  Figure~\ref{fig:03}, a degradation of  the network
668 latency from  $8.10^{-6}$ to  $6.10^{-5}$ implies an  absolute time  increase of
669 more  than $75\%$  (resp.  $82\%$)  of the  execution  for  the classical  GMRES
670 (resp.  Krylov multisplitting)  algorithm.   In addition,  it  appears that  the
671 Krylov multisplitting method tolerates more the network latency variation with a
672 less  rate increase  of  the  execution time.\RC{Les  2  précédentes phrases  me
673   semblent en contradiction....}  Consequently, in the worst case ($lat=6.10^{-5
674 }$), the  execution time for  GMRES is  almost the double  than the time  of the
675 Krylov multisplitting,  even though, the  performance was  on the same  order of
676 magnitude with a latency of $8.10^{-6}$.
677
678 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
679 \ \\
680 \begin{table} [ht!]
681 \centering
682 \begin{tabular}{r c }
683  \hline
684  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
685  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
686  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
687  \end{tabular}
688 \caption{Test conditions: Network bandwidth impacts\RC{Qu'est ce qui varie ici? Il n'y a pas de variation dans le tableau}}
689 \label{tab:04}
690 \end{table}
691
692
693 \begin{figure} [ht!]
694 \centering
695 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
696 \caption{Network bandwith impacts on execution time
697 \AG{``Execution time'' avec un 't' minuscule}. Idem autres figures.}
698 \label{fig:04}
699 \end{figure}
700
701 The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
702 performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
703 Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
704 presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
705 of $40\%$ which is only around $24\%$ for the classical GMRES.
706
707 \subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
708 \ \\
709 \begin{table} [ht!]
710 \centering
711 \begin{tabular}{r c }
712  \hline
713  Grid Architecture & 4x8\\ %\hline
714  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\
715  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
716  \end{tabular}
717 \caption{Test conditions: Input matrix size impacts}
718 \label{tab:05}
719 \end{table}
720
721
722 \begin{figure} [ht!]
723 \centering
724 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
725 \caption{Problem size impacts on execution time}
726 \label{fig:05}
727 \end{figure}
728
729 In these experiments, the input matrix size  has been set from $N_{x} = N_{y}
730 = N_{z} = 40$ to $200$ side elements  that is from $40^{3} = 64.000$ to $200^{3}
731 = 8,000,000$  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
732 time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
733 But the interesting results are:
734 \begin{enumerate}
735   \item the drastic increase ($10$ times)  of the number of iterations needed to
736     reach the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
737     go beyond $N_{x}=150$; \RC{C'est toujours pas clair... ok le nommbre d'itérations est 10 fois plus long mais la suite de la phrase ne veut rien dire}
738 \item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for $N_{x}=140$
739   compared with the Krylov multisplitting method.
740 \end{enumerate}
741
742 These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
743 targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
744 size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
745 grid 2x16 leading to the same conclusion.
746
747 \subsubsection{CPU Power impacts on performance}
748
749 \begin{table} [ht!]
750 \centering
751 \begin{tabular}{r c }
752  \hline
753  Grid architecture & 2x16\\ %\hline
754  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
755  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
756  \end{tabular}
757 \caption{Test conditions: CPU Power impacts}
758 \label{tab:06}
759 \end{table}
760
761 \begin{figure} [ht!]
762 \centering
763 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
764 \caption{CPU Power impacts on execution time}
765 \label{fig:06}
766 \end{figure}
767
768 Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
769 on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
770 from $1$ to $19$ GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
771 performance gain,  around $95\%$ for  both of the  two methods, after  adding more
772 powerful CPU.
773 \ \\
774 %\DL{il faut une conclusion sur ces tests : ils confirment les résultats déjà
775 %obtenus en grandeur réelle. Donc c'est une aide précieuse pour les dev. Pas
776 %besoin de déployer sur une archi réelle}
777
778 To conclude these series of experiments, with  SimGrid we have been able to make
779 many simulations  with many parameters  variations. Doing all  these experiments
780 with a real platform is most of  the time not possible. Moreover the behavior of
781 both GMRES and  Krylov multisplitting methods is in accordance  with larger real
782 executions on large scale supercomputer~\cite{couturier15}.
783
784
785 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
786
787 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
788 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
789 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
790 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
791 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
792
793 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
794 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
795 In  this case,  each  processor can  compute its  iteration  freely without  any
796 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
797 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
798 performance.
799
800 \RC{la phrase suivante est bizarre, je ne comprends pas pourquoi elle vient ici}
801 In this section, Simgrid simulator tool has been successfully used to show
802 the efficiency of  the multisplitting in asynchronous mode and  to find the best
803 combination of the grid resources (CPU,  Network, input matrix size, \ldots ) to
804 get    the   highest    \textit{"relative    gain"}   (exec\_time$_{GMRES}$    /
805 exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
806
807
808 The test conditions are summarized in the table~\ref{tab:07}: \\
809
810 \begin{table} [ht!]
811 \centering
812 \begin{tabular}{r c }
813  \hline
814  Grid Architecture & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
815  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
816    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
817    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
818  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
819  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
820  \end{tabular}
821 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs Krylov Multisplitting in asynchronous mode}
822 \label{tab:07}
823 \end{table}
824
825 Again,  comprehensive and  extensive tests  have been  conducted with  different
826 parameters as  the CPU power, the  network parameters (bandwidth and  latency)
827 and with different problem size. The  relative gains greater than $1$  between the
828 two algorithms have  been captured after  each step  of the test.   In
829 Figure~\ref{fig:07}  are  reported the  best  grid  configurations allowing
830 the  multisplitting method to  be more than  $2.5$ times faster  than the
831 classical  GMRES.  These  experiments also  show the  relative tolerance  of the
832 multisplitting algorithm when using a low speed network as usually observed with
833 geographically distant clusters through the internet.
834
835 % use the same column width for the following three tables
836 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
837 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
838   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
839   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
840                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
841     \end{tabular}}
842
843
844 \begin{figure}[!t]
845 \centering
846 %\begin{table}
847 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
848 %  \label{"Table 7"}
849  \begin{mytable}{11}
850     \hline
851     bandwidth (Mbit/s)
852     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
853     \hline
854     latency (ms)
855     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
856     \hline
857     power (GFlops)
858     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
859     \hline
860     size (N)
861     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
862     \hline
863     Precision
864     & \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}\\
865     \hline
866     Relative gain
867     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
868     \hline
869   \end{mytable}
870 %\end{table}
871  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES
872 \AG{C'est un tableau, pas une figure}}
873  \label{fig:07}
874 \end{figure}
875
876
877 \section{Conclusion}
878
879 In this paper we have presented the simulation of the execution of three
880 different parallel solvers on some multi-core architectures. We have show that
881 the SimGrid toolkit is an interesting simulation tool that has allowed us to
882 determine  which method  to choose  given a  specified multi-core  architecture.
883 Moreover the simulated results are in accordance (i.e. with the same order of
884 magnitude)  with the works  presented in~\cite{couturier15}. Simulated   results
885 also  confirm  the   efficiency  of  the asynchronous  multisplitting
886 algorithm  compared  to  the   synchronous  GMRES especially in case of
887 geographically distant clusters.
888
889 These results are important since it is very  time consuming to find optimal
890 configuration  and deployment requirements for a given application  on   a given
891 multi-core  architecture. Finding   good  resource allocations policies under
892 varying CPU power, network speeds and  loads is very challenging and  labor
893 intensive. This problematic is  even more difficult  for the  asynchronous
894 scheme where  a small parameter variation of the execution platform and of the
895 application data can lead to very different numbers of iterations to reach the
896 converge and so to very different execution times.
897
898
899 Our future works...
900
901
902
903 %\section*{Acknowledgment}
904 \ack
905 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
906
907 \bibliographystyle{wileyj}
908 \bibliography{biblio}
909
910
911 \end{document}
912
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914 %%% mode: latex
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918 %%% End: