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[rce2015.git] / paper.tex
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70
71
72
73 \begin{document} \RCE{Titre a confirmer.} \title{Comparative performance
74 analysis of simulated grid-enabled numerical iterative algorithms}
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 main contribution of this paper is to show that the use of a simulation tool
175 (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real  parallel
176 applications (i.e. large linear system solvers) can help developers to better
177 tune their application for a given multi-core architecture. To show the validity
178 of this approach we first compare the simulated execution of the multisplitting
179 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
183 \LZK{Pas trop convainquant comme argument pour valider l'approche de simulation. \\On peut dire par exemple: on a pu simuler différents algos itératifs à large échelle (le plus connu GMRES et deux variantes de multisplitting) et la simulation nous a permis (sans avoir le vrai matériel) de déterminer quelle serait la meilleure solution pour une telle configuration de l'archi ou vice versa.\\A revoir...}
184 \DL{OK : ajout d'une phrase précisant tout cela}
185
186 Moreover the obtained results on different simulated multi-core architectures
187 confirm the real results previously obtained on non simulated architectures.
188 More precisely the simulated results are in accordance (i.e. with the same order
189 of magnitude) with the works presented in [], which show that the multisplitting
190 method is more efficient than GMRES for large scale clusters.
191
192 \LZK{Il n y a pas dans la partie expé cette comparaison et confirmation des résultats entre la simulation et l'exécution réelle des algos sur les vrais clusters.\\ Sinon on pourrait ajouter dans la partie expé une référence vers le journal supercomput de krylov multi pour confirmer que cette méthode est meilleure que GMRES sur les clusters large échelle.}
193 \DL{OK ajout d'une phrase. Par contre je n'ai pas la ref. Merci de la mettre}
194
195 We also confirm  the efficiency  of the
196 asynchronous  multisplitting algorithm compared to the synchronous  GMRES.
197
198 \LZK{P.S.: Pour tout le papier, le principal objectif n'est pas de faire des comparaisons entre des méthodes itératives!!\\Sinon, les deux algorithmes Krylov multisplitting synchrone et multisplitting asynchrone sont plus efficaces que GMRES sur des clusters à large échelle.\\Et préciser, si c'est vraiment le cas, que le multisplitting asynchrone est plus efficace et adapté aux clusters distants par rapport aux deux autres algos (je n'ai pas encore lu la partie expé)}
199
200 In
201 this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
202 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
203 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
204 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
205 asynchronous iterative application.
206
207 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
208 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
209 section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
210 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
211 experimental results are presented in section~\ref{sec:expe} followed by some
212 concluding remarks and perspectives.
213
214 \LZK{Proposition d'un titre pour le papier: Grid-enabled simulation of large-scale linear iterative solvers.}
215
216
217 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
218 \label{sec:asynchro}
219
220 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoritecally and
221 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
222 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
223 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
224 asynchronous iterations  methods can be used  to solve, for example,  linear and
225 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
226 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
227
228 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
229 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
230 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
231 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
232 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
233 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
234 one, they are not.  It should be noticed that non blocking communications can be
235 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
236 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
237 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
238 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
239 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
240
241 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
242 for the asynchronous scheme (this number depends depends on  the delay of the
243 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
244 number of iterations is the same than in the sequential mode. In this way, the
245 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
246 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency, \ldots) and  of  the
247 application can drastically change the number of iterations required to get the
248 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
249 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
250 architecture are often very important. So, prior to delpoyment and tests it
251 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
252 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produce
253 by simulation are in accordance with reality i.e. of the same order of
254 magnitude. To our knowledge, there is no study on this problematic.
255
256 \section{SimGrid}
257 \label{sec:simgrid}
258 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.
259
260 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
261 % SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}
262 % is a simulation framework to study the behavior of large-scale distributed
263 % systems.  As its name suggests, it emanates from the grid computing community,
264 % but is nowadays used to study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The
265 % early versions of SimGrid date back from 1999, but it is still actively
266 % developed and distributed as an open source software.  Today, it is one of the
267 % major generic tools in the field of simulation for large-scale distributed
268 % systems.
269
270 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
271 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
272 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
273 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
274 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work described in
275 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
276 standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
277 applications written in C or Fortran, with little or no modifications (cf Section IV - paragraph B).
278
279 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
280 single process.  The application code is really executed, but some operations,
281 like communications, are intercepted, and their running time is computed
282 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
283 description of this target platform is given as an input for the execution, by
284 means of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
285 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
286 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
287 simulated processes, as well as the simulated running time of the application
288 are computed according to these properties.
289
290 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
291 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
292 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows users to run relatively fast
293 simulations, while still keeping accurate
294 results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
295   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
296 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
297 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
298 skipped, but the results are unimportant for the simulation results, it is
299 also possible to share dynamically allocated data structures between
300 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
301 These two techniques can help to run simulations on a very large scale.
302
303 The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
304 See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
305 referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
306 real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
307 SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
308   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
309   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
310 SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
311 applications.
312 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
313
314 \section{Two-stage multisplitting methods}
315 \label{sec:04}
316 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
317 \label{sec:04.01}
318 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 $\mathbb{R}$:
319 \begin{equation}
320 Ax=b,
321 \label{eq:01}
322 \end{equation}
323 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:
324 \begin{equation}
325 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
326 \label{eq:02}
327 \end{equation}
328 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:
329 \begin{equation}
330 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
331 \label{eq:03}
332 \end{equation}
333 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}.
334
335 \begin{figure}[t]
336 %\begin{algorithm}[t]
337 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
338 \begin{algorithmic}[1]
339   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
340   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
341   \State Set the initial guess $x^0$
342   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
343     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
344     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
345     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
346     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
347   \EndFor
348 \end{algorithmic}
349 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
350 \label{alg:01}
351 %\end{algorithm}
352 \end{figure}
353
354 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:
355 \begin{equation}
356 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
357 \label{eq:04}
358 \end{equation}
359 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
360
361 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:
362 \begin{equation}
363 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
364 \label{eq:05}
365 \end{equation}
366 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
367 \begin{equation}
368 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
369 \label{eq:06}
370 \end{equation}
371 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}).
372
373 \begin{figure}[t]
374 %\begin{algorithm}[t]
375 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
376 \begin{algorithmic}[1]
377   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
378   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
379   \State Set the initial guess $x^0$
380   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
381     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
382     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
383     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
384     \If{$k\mod s = 0$}
385        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
386        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
387        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
388        \Else
389          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
390     \EndIf
391     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
392   \EndFor
393 \end{algorithmic}
394 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
395 \label{alg:02}
396 %\end{algorithm}
397 \end{figure}
398
399 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
400 \label{sec:04.02}
401
402 One of our objectives when simulating the  application in Simgrid is, as in real
403 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
404 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
405 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the Simgrid
406 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
407 libraries  and related  header files  (smpi.h).  The  second modification  is to
408 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
409 Simgrid      selector       called      "runtime       automatic      switching"
410 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
411 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
412 Simgrid  to simulate the  grid environment.
413
414 %\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
415 %last modification on the  MPI program pointed out for some  cases, the review of
416 %the sequence of  the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and  MPI\_Waitall instructions which
417 %might cause an infinite loop.
418
419
420 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
421 \  \\ \noindent  Before running  a Simgrid  benchmark, many  parameters for  the
422 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
423 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
424 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
425
426 \begin{itemize}
427         \item hostfile: hosts description file.
428         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
429 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
430 latency lat, \dots{}).
431         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
432 nodes/processors for each cluster).
433 \end{itemize}
434 \noindent
435 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
436
437 \begin{itemize}
438         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
439         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
440         \item matrix sizes of the 3D Poisson problem: N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$ on axis $x$, $y$ and $z$ respectively,
441         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous Krylov multisplitting experiments and $6.2$ for asynchronous block Jacobi experiments,
442         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
443         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
444         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
445         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
446         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
447         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
448 \end{itemize}
449
450 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.
451
452 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
453 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
454
455 \section{Experimental Results}
456 \label{sec:expe}
457
458 In this section, experiments for both Multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
459
460 \subsection{The 3D Poisson problem}
461
462
463 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:
464 \begin{equation}
465 \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
466 \label{eq:07}
467 \end{equation}
468 such that:
469 \begin{equation*}
470 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
471 \end{equation*}
472 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:
473 \begin{equation}
474 \begin{array}{ll}
475 \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))
476 \end{array}
477 \label{eq:08}
478 \end{equation}
479 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
480
481 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.
482
483 \subsection{Study setup and simulation methodology}
484
485 First, to conduct our study, we propose the following methodology
486 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
487
488 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
489 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
490 have been chosen for the study in this paper. \\
491
492 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
493 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
494 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the Multisplitting
495 method. In addition, the Simgrid simulator has been chosen to simulate the
496 behaviors of the distributed applications. Simgrid is running in a virtual
497 machine on a simple laptop. \\
498
499 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
500 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
501 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
502 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
503
504 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
505 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architecture
506 has been configured in Simgrid : 2x16, 4x8, 4x16, 8x8 and 2x50. The first number
507 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
508 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network  has been
509 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
510 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
511 (resp.  inter-clusters backbone links). \\
512
513 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
514 within these configurations by varying the key parameters, especially
515 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
516 input data.  \\
517
518 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
519
520 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
521 a grid environment}
522
523 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
524 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
525 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
526 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
527 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
528 increase.
529
530 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
531 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
532 the program output results:
533 \begin{enumerate}
534 \item  the network  bandwidth  (bw=bits/s) also  known  as "the  data-carrying
535     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
536     from one point to another in a unit of time.
537 \item the  network latency  (lat :  microsecond) defined as  the delay  from the
538   start time to send  a simple data from a source to a destination.
539 \end{enumerate}
540 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
541 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
542
543  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
544  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and
545  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
546  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.
547  The intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a
548  high bandwith and very low latency. In opposite, the inter-network connects
549  clusters sometime via  heterogeneous networks components  throuth internet with
550  a lower speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck
551  for  the global performance of the application.
552
553 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov Multisplitting algorithms in synchronous mode}
554
555 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
556 Multisplitting  method   has  better  performance  than   the  classical  GMRES
557 method. With a synchronous  iterative method, better performance means a
558 smaller number of iterations and execution time before reaching the convergence.
559 For a systematic study,  the experiments  should figure  out  that, for  various
560 grid  parameters values, the simulator will confirm  the targeted outcomes,
561 particularly for poor and slow  networks, focusing on the  impact on the
562 communication  performance on the chosen class of algorithm.
563
564 The following paragraphs present the test conditions, the output results
565 and our comments.\\
566
567
568 \subsubsection{Execution of the algorithms on various computational grid
569 architectures and scaling up the input matrix size}
570 \ \\
571 % environment
572
573 \begin{table} [ht!]
574 \begin{center}
575 \begin{tabular}{r c }
576  \hline
577  Grid Architecture & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
578  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
579  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
580  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
581  \end{tabular}
582 \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?}
583 \AG{La lettre 'x' n'est pas le symbole de la multiplication. Utiliser \texttt{\textbackslash times}.  Idem dans le texte, les figures, etc.}}
584 \label{tab:01}
585 \end{center}
586 \end{table}
587
588
589
590
591
592 In this  section, we analyze the  performance of algorithms running  on various
593 grid configurations  (2x16, 4x8, 4x16  and 8x8). First,  the results in  Figure~\ref{fig:01}
594 show for all grid configurations the non-variation of the number of iterations of
595 classical  GMRES for  a given  input matrix  size; it is not  the case  for the
596 multisplitting method.
597
598 \RC{CE attention tu n'as pas mis de label dans tes figures, donc c'est le bordel, j'en mets mais vérifie...}
599 \RC{Les légendes ne sont pas explicites...}
600
601
602 \begin{figure} [ht!]
603   \begin{center}
604     \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
605   \end{center}
606   \caption{Various grid configurations with the input matrix size N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170\RC{idem}
607 \AG{Utiliser le point comme séparateur décimal et non la virgule.  Idem dans les autres figures.}}
608   \label{fig:01}
609 \end{figure}
610
611
612 The execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
613 grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2x16
614 and  4x8). We  can  observ  the low  sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
615 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
616 in the  grid: in  average, the GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm performs
617 $40\%$ 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?}
618
619 \subsubsection{Running on two different inter-clusters network speeds \\}
620
621 \begin{table} [ht!]
622 \begin{center}
623 \begin{tabular}{r c }
624  \hline
625  Grid Architecture & 2x16, 4x8\\ %\hline
626  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
627  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
628  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
629  \end{tabular}
630 \caption{Test conditions: grid 2x16 and 4x8 with  networks N1 vs N2}
631 \label{tab:02}
632 \end{center}
633 \end{table}
634
635 These experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running first  on a
636 speed inter-cluster  network (N1) and  also on  a less performant  network (N2). \RC{Il faut définir cela avant...}
637 Figure~\ref{fig:02} shows that end users will reduce the execution time
638 for  both  algorithms when using  a  grid  architecture  like  4x16 or  8x8: the reduction is about $2$. The results depict  also that when
639 the  network speed  drops down (variation of 12.5\%), the  difference between  the two Multisplitting algorithms execution times can reach more than 25\%.
640 %\RC{c'est pas clair : la différence entre quoi et quoi?}
641 %\DL{pas clair}
642 %\RCE{Modifie}
643
644
645 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
646 \begin{figure} [ht!]
647 \centering
648 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
649 \caption{Grid 2x16 and 4x8 with networks N1 vs N2
650 \AG{\np{8E-6}, \np{5E-6} au lieu de 8E-6, 5E-6}}
651 \label{fig:02}
652 \end{figure}
653 %\end{wrapfigure}
654
655
656 \subsubsection{Network latency impacts on performance}
657 \ \\
658 \begin{table} [ht!]
659 \centering
660 \begin{tabular}{r c }
661  \hline
662  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
663  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
664  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
665  \end{tabular}
666 \caption{Test conditions: network latency impacts}
667 \label{tab:03}
668 \end{table}
669
670
671
672 \begin{figure} [ht!]
673 \centering
674 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
675 \caption{Network latency impacts on execution time
676 \AG{\np{E-6}}}
677 \label{fig:03}
678 \end{figure}
679
680
681 According to  the results of  Figure~\ref{fig:03}, a degradation of  the network
682 latency from  $8.10^{-6}$ to  $6.10^{-5}$ implies an  absolute time  increase of
683 more  than $75\%$  (resp.  $82\%$)  of the  execution  for  the classical  GMRES
684 (resp.  Krylov multisplitting)  algorithm.   In addition,  it  appears that  the
685 Krylov multisplitting method tolerates more the network latency variation with a
686 less  rate increase  of  the  execution time.\RC{Les  2  précédentes phrases  me
687   semblent en contradiction....}  Consequently, in the worst case ($lat=6.10^{-5
688 }$), the  execution time for  GMRES is  almost the double  than the time  of the
689 Krylov multisplitting,  even though, the  performance was  on the same  order of
690 magnitude with a latency of $8.10^{-6}$.
691
692 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
693 \ \\
694 \begin{table} [ht!]
695 \centering
696 \begin{tabular}{r c }
697  \hline
698  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
699  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
700  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
701  \end{tabular}
702 \caption{Test conditions: Network bandwidth impacts\RC{Qu'est ce qui varie ici? Il n'y a pas de variation dans le tableau}}
703 \label{tab:04}
704 \end{table}
705
706
707 \begin{figure} [ht!]
708 \centering
709 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
710 \caption{Network bandwith impacts on execution time
711 \AG{``Execution time'' avec un 't' minuscule}. Idem autres figures.}
712 \label{fig:04}
713 \end{figure}
714
715 The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
716 performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
717 Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
718 presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
719 of $40\%$ which is only around $24\%$ for the classical GMRES.
720
721 \subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
722 \ \\
723 \begin{table} [ht!]
724 \centering
725 \begin{tabular}{r c }
726  \hline
727  Grid Architecture & 4x8\\ %\hline
728  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\
729  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
730  \end{tabular}
731 \caption{Test conditions: Input matrix size impacts}
732 \label{tab:05}
733 \end{table}
734
735
736 \begin{figure} [ht!]
737 \centering
738 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
739 \caption{Problem size impacts on execution time}
740 \label{fig:05}
741 \end{figure}
742
743 In these experiments, the input matrix size  has been set from $N_{x} = N_{y}
744 = N_{z} = 40$ to $200$ side elements  that is from $40^{3} = 64.000$ to $200^{3}
745 = 8,000,000$  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
746 time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
747 But the interesting results are:
748 \begin{enumerate}
749   \item the drastic increase ($10$ times)  of the number of iterations needed to
750     reach the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
751     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}
752 \item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for $N_{x}=140$
753   compared with the Krylov multisplitting method.
754 \end{enumerate}
755
756 These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
757 targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
758 size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
759 grid 2x16 leading to the same conclusion.
760
761 \subsubsection{CPU Power impacts on performance}
762
763 \begin{table} [ht!]
764 \centering
765 \begin{tabular}{r c }
766  \hline
767  Grid architecture & 2x16\\ %\hline
768  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
769  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
770  \end{tabular}
771 \caption{Test conditions: CPU Power impacts}
772 \label{tab:06}
773 \end{table}
774
775 \begin{figure} [ht!]
776 \centering
777 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
778 \caption{CPU Power impacts on execution time}
779 \label{fig:06}
780 \end{figure}
781
782 Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
783 on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
784 from $1$ to $19$ GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
785 performance gain,  around $95\%$ for  both of the  two methods, after  adding more
786 powerful CPU.
787
788 \DL{il faut une conclusion sur ces tests : ils confirment les résultats déjà
789 obtenus en grandeur réelle. Donc c'est une aide précieuse pour les dev. Pas
790 besoin de déployer sur une archi réelle}
791
792
793 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
794
795 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
796 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
797 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
798 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
799 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
800
801 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
802 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
803 In  this case,  each  processor can  compute its  iteration  freely without  any
804 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
805 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
806 performance.
807
808 \RC{la phrase suivante est bizarre, je ne comprends pas pourquoi elle vient ici}
809 In this section, Simgrid simulator tool has been successfully used to show
810 the efficiency of  the multisplitting in asynchronous mode and  to find the best
811 combination of the grid resources (CPU,  Network, input matrix size, \ldots ) to
812 get    the   highest    \textit{"relative    gain"}   (exec\_time$_{GMRES}$    /
813 exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
814
815
816 The test conditions are summarized in the table~\ref{tab:07}: \\
817
818 \begin{table} [ht!]
819 \centering
820 \begin{tabular}{r c }
821  \hline
822  Grid Architecture & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
823  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
824    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
825    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
826  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
827  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
828  \end{tabular}
829 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs Krylov Multisplitting in asynchronous mode}
830 \label{tab:07}
831 \end{table}
832
833 Again,  comprehensive and  extensive tests  have been  conducted with  different
834 parameters as  the CPU power, the  network parameters (bandwidth and  latency)
835 and with different problem size. The  relative gains greater than $1$  between the
836 two algorithms have  been captured after  each step  of the test.   In
837 Figure~\ref{fig:07}  are  reported the  best  grid  configurations allowing
838 the  multisplitting method to  be more than  $2.5$ times faster  than the
839 classical  GMRES.  These  experiments also  show the  relative tolerance  of the
840 multisplitting algorithm when using a low speed network as usually observed with
841 geographically distant clusters through the internet.
842
843 % use the same column width for the following three tables
844 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
845 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
846   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
847   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
848                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
849     \end{tabular}}
850
851
852 \begin{figure}[!t]
853 \centering
854 %\begin{table}
855 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
856 %  \label{"Table 7"}
857  \begin{mytable}{11}
858     \hline
859     bandwidth (Mbit/s)
860     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
861     \hline
862     latency (ms)
863     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
864     \hline
865     power (GFlops)
866     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
867     \hline
868     size (N)
869     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
870     \hline
871     Precision
872     & \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}\\
873     \hline
874     Relative gain
875     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
876     \hline
877   \end{mytable}
878 %\end{table}
879  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES
880 \AG{C'est un tableau, pas une figure}}
881  \label{fig:07}
882 \end{figure}
883
884
885 \section{Conclusion}
886 CONCLUSION
887
888
889 %\section*{Acknowledgment}
890 \ack
891 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
892
893 \bibliographystyle{wileyj}
894 \bibliography{biblio}
895 \AG{Warning bibtex à corriger (%
896   \texttt{empty booktitle in Bru95}%
897 ).}
898
899 \end{document}
900
901 %%% Local Variables:
902 %%% mode: latex
903 %%% TeX-master: t
904 %%% fill-column: 80
905 %%% ispell-local-dictionary: "american"
906 %%% End: