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[rce2015.git] / paper.tex
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54
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61
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69
70
71
72 \begin{document} \RCE{Titre a confirmer.} \title{Comparative performance
73 analysis of simulated grid-enabled numerical iterative algorithms}
74 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
75
76 \author{    Charles Emile Ramamonjisoa and
77     David Laiymani and
78     Arnaud Giersch and
79     Lilia Ziane Khodja and
80     Raphaël Couturier
81 }
82
83 \address{
84         \centering
85     Femto-ST Institute - DISC Department\\
86     Université de Franche-Comté\\
87     Belfort\\
88     Email: \email{{raphael.couturier,arnaud.giersch,david.laiymani,charles.ramamonjisoa}@univ-fcomte.fr}
89 }
90
91 %% Lilia Ziane Khodja: Department of Aerospace \& Mechanical Engineering\\ Non Linear Computational Mechanics\\ University of Liege\\ Liege, Belgium. Email: l.zianekhodja@ulg.ac.be
92
93 \begin{abstract}   The behavior of multi-core applications is always a challenge
94 to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been
95 performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build
96 accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation
97 tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
98 bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
99 applications. We have decided to use SimGrid as it enables to benchmark MPI
100 applications.
101
102 In this paper, we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
103 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
104 These algorithms  are used to  solve libear  systems. Two different  variants of
105 the Multisplitting are studied: one  using synchronoous  iterations and  another
106 one  with asynchronous iterations. For each algorithm we have  tested different
107 parameters to see their influence.  We strongly  recommend people  interested
108 by investing  into a  new expensive  hardware  architecture  to   benchmark
109 their  applications  using  a simulation tool before.
110
111
112
113
114 \end{abstract}
115
116 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
117 %performance} 
118 \keywords{Multisplitting algorithms, Synchronous and asynchronous iterations, SimGrid, Simulation, Performance evaluation}
119
120 \maketitle
121
122 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
123 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
124 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
125 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
126 complex parallel applications operating on a large amount of data.
127 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
128 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
129 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
130 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
131 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
132 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
133 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
134 code debugging, ability to obtain results quickly,~\ldots. In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
135
136 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
137 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
138 simple. It generally involves the division of the problem into  several
139 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
140 units.  Each processing unit has to compute an iteration, to send/receive some
141 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
142 convergence of the method. Several well-known methods demonstrate the
143 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
144 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
145 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a synchronous
146 scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new iteration without
147 having to wait for the data dependencies coming from its neighbors. Both
148 communication and computations are asynchronous inducing that there is no more
149 idle time, due to synchronizations, between two iterations~\cite{bcvc06:ij}.
150 This model presents some advantages and drawbacks that we detail in
151 section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of iterations required to
152 converge is generally  greater  than for the synchronous  case, it appears that
153 the asynchronous  iterative scheme  can significantly  reduce  overall execution
154 times by  suppressing idle  times due to  synchronizations~(see~\cite{bahi07}
155 for more details).
156
157 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
158 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
159 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
160 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
161 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
162 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
163 parameter variation of the execution platform can lead to very different numbers
164 of iterations to reach the converge and so to very different execution times. In
165 this challenging context we think that the  use of a simulation tool can greatly
166 leverage the possibility of testing various platform scenarios.
167
168 The main contribution of this paper is to show that the use of a simulation tool
169 (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real  parallel
170 applications (i.e. large linear system solvers) can help developers to better
171 tune their application for a given multi-core architecture. To show the validity
172 of this approach we first compare the simulated execution of the multisplitting
173 algorithm  with  the  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual)
174 solver~\cite{saad86} in synchronous mode. The obtained results on different
175 simulated multi-core architectures confirm the real results previously obtained
176 on non simulated architectures.  We also confirm  the efficiency  of the
177 asynchronous  multisplitting algorithm  compared to the synchronous  GMRES. In
178 this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
179 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
180 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
181 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
182 asynchronous iterative application.
183
184 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
185 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
186 section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
187 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
188 experimental results are presented in section~\ref{sec:expe} followed by some
189 concluding remarks and perspectives.
190
191
192 \section{The asynchronous iteration model}
193 \label{sec:asynchro}
194
195 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoritecally and
196 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
197 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
198 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
199 asynchronous iterations  methods can be used  to solve, for example,  linear and
200 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
201 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
202
203 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
204 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
205 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
206 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
207 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
208 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
209 one, they are not.  It should be noticed that non blocking communications can be
210 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
211 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
212 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
213 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
214 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
215
216 \section{SimGrid}
217  \label{sec:simgrid}
218
219 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
220 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
221
222 \section{Two-stage multisplitting methods}
223 \label{sec:04}
224 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
225 \label{sec:04.01}
226 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 $\mathbb{R}$
227 \begin{equation}
228 Ax=b,
229 \label{eq:01}
230 \end{equation}
231 where $A$ is a sparse square and nonsingular matrix, $b$ is the right-hand side and $x$ is the solution of the system. Our work in this paper is restricted to the block Jacobi splitting method. This approach of multisplitting consists in partitioning the matrix $A$ into $L$ horizontal band matrices of order $\frac{n}{L}\times n$ without overlapping (i.e. sub-vectors $\{x_\ell\}_{1\leq\ell\leq L}$ are disjoint). The two-stage multisplitting methods solve the linear system~(\ref{eq:01}) iteratively as follows
232 \begin{equation}
233 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
234 \label{eq:02}
235 \end{equation}
236 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
237 \begin{equation}
238 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
239 \label{eq:03}
240 \end{equation}
241 where right-hand sides $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m$ are computed using the shared vectors $x_m$. In this paper, we use the well-known iterative method GMRES ({\it Generalized Minimal RESidual})~\cite{saad86} as an inner iteration to approximate the solutions of the different splittings arising from the block Jacobi multisplitting of matrix $A$. The algorithm in Figure~\ref{alg:01} shows the main key points of our block Jacobi two-stage method executed by a cluster of processors. In line~\ref{solve}, the linear sub-system~(\ref{eq:03}) is solved in parallel using GMRES method where $\MIG$ and $\TOLG$ are the maximum number of inner iterations and the tolerance threshold for GMRES respectively. The convergence of the two-stage multisplitting methods, based on synchronous or asynchronous iterations, is studied by many authors for example~\cite{Bru95,bahi07}.
242
243 \begin{figure}[t]
244 %\begin{algorithm}[t]
245 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
246 \begin{algorithmic}[1]
247   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
248   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
249   \State Set the initial guess $x^0$
250   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
251     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
252     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
253     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
254     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
255   \EndFor
256 \end{algorithmic}
257 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
258 \label{alg:01}
259 %\end{algorithm}
260 \end{figure}
261
262 In this paper, we propose two algorithms of two-stage multisplitting methods. The first algorithm is based on asynchronous model which allows the communications to be overlapped by computations and reduces the idle times resulting from the synchronizations. So in the asynchronous mode, our two-stage algorithm uses asynchronous outer iterations and asynchronous communications between clusters. The communications (i.e. lines~\ref{send} and~\ref{recv} in Figure~\ref{alg:01}) are performed by message passing using MPI non-blocking communication routines. The convergence of the asynchronous iterations is detected when all clusters have locally converged
263 \begin{equation}
264 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
265 \label{eq:04}
266 \end{equation}
267 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
268
269 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
270 \begin{equation}
271 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
272 \label{eq:05}
273 \end{equation}
274 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual
275 \begin{equation}
276 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
277 \label{eq:06}
278 \end{equation}
279 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}).
280
281 \begin{figure}[t]
282 %\begin{algorithm}[t]
283 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
284 \begin{algorithmic}[1]
285   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
286   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
287   \State Set the initial guess $x^0$
288   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
289     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
290     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
291     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
292     \If{$k\mod s = 0$}
293        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
294        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
295        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
296        \Else
297          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
298     \EndIf
299     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
300   \EndFor
301 \end{algorithmic}
302 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
303 \label{alg:02}
304 %\end{algorithm}
305 \end{figure}
306
307 \subsection{Simulation of two-stage methods using SimGrid framework}
308 \label{sec:04.02}
309
310 One of our objectives when simulating the application in Simgrid is, as in real life, to get accurate results (solutions of the problem) but also ensure the test reproducibility under the same conditions. According our experience, very few modifications are required to adapt a MPI program to run in Simgrid simulator using SMPI (Simulator MPI).The first modification is to include SMPI libraries and related header files (smpi.h). The second and important modification is to eliminate all global variables in moving them to local subroutine or using a Simgrid selector called "runtime automatic switching" (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global variables can generate side effects on runtime between the threads running in the same process, generated by the Simgrid to simulate the grid environment.The last modification on the MPI program pointed out for some cases, the review of the sequence of the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and MPI\_Waitall instructions which might cause an infinite loop.
311
312
313 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
314
315 \begin{itemize}
316         \item hostfile: Hosts description file.
317         \item plarform: File describing the platform architecture : clusters (CPU power,
318 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
319 latency lat, \dots{}).
320         \item archi   : Grid computational description (Number of clusters, Number of
321 nodes/processors for each cluster).
322 \end{itemize}
323
324
325 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
326
327 \begin{itemize}
328         \item Maximum number of inner and outer iterations;
329         \item Inner and outer precisions;
330         \item Matrix size (N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$);
331         \item Matrix diagonal value = 6.0;
332         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
333 \end{itemize}
334
335 At last, note that the two solver algorithms have been executed with the Simgrid selector -cfg=smpi/running\_power which determines the computational power (here 19GFlops) of the simulator host machine.
336
337 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
338 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
339
340 \section{Experimental Results}
341 \label{sec:expe}
342
343
344 \subsection{Study setup and Simulation Methodology}
345
346 To conduct our study, we have put in place the following methodology
347 which can be reused for any grid-enabled applications.
348
349 \textbf{Step 1} : Choose with the end users the class of algorithms or
350 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
351 have been chosen for the study in this paper. \\
352
353 \textbf{Step 2} : Collect the software materials needed for the
354 experimentation. In our case, we have two variants algorithms for the
355 resolution of the 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES (Algo-1); (2) and the multisplitting method (Algo-2). In addition, Simgrid simulator has been chosen to simulate the behaviors of the
356 distributed applications. Simgrid is running on the Mesocentre datacenter in Franche-Comte University but also in a virtual machine on a laptop. \\
357
358 \textbf{Step 3} : Fix the criteria which will be used for the future
359 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
360 in one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
361 and in the other hand the execution time and the number of iterations of
362 the application before obtaining the convergence. \\
363
364 \textbf{Step 4 }: Set up the different grid testbed environments
365 which will be simulated in the simulator tool to run the program. The
366 following architecture has been configured in Simgrid : 2x16 - that is a
367 grid containing 2 clusters with 16 hosts (processors/cores) each -, 4x8,
368 4x16, 8x8 and 2x50. The network has been designed to operate with a
369 bandwidth equals to 10Gbits (resp. 1Gbits/s) and a latency of 8.10$^{-6}$
370 microseconds (resp. 5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links (resp.
371 inter-clusters backbone links). \\
372
373 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
374 within these configurations in varying the key parameters, especially
375 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
376 input matrix. Note that some parameters like some program input arguments should be fixed to be invariant to allow the comparison. \\
377
378 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
379
380 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
381 a grid environment}
382
383 From our previous experience on running distributed application in a
384 computational grid, many factors are identified to have an impact on the
385 program behavior and performance on this specific environment. Mainly,
386 first of all, the architecture of the grid itself can obviously
387 influence the performance results of the program. The performance gain
388 might be important theoretically when the number of clusters and/or the
389 number of nodes (processors/cores) in each individual cluster increase.
390
391 Another important factor impacting the overall performance of the
392 application is the network configuration. Two main network parameters
393 can modify drastically the program output results : (i) the network
394 bandwidth (bw=bits/s) also known as "the data-carrying capacity"
395 of the network is defined as the maximum of data that can pass
396 from one point to another in a unit of time. (ii) the network latency
397 (lat : microsecond) defined as the delay from the start time to send the
398 data from a source and the final time the destination have finished to
399 receive it. Upon the network characteristics, another impacting factor
400 is the application dependent volume of data exchanged between the nodes
401 in the cluster and between distant clusters. Large volume of data can be
402 transferred and transit between the clusters and nodes during the code
403 execution.
404
405  In a grid environment, it is common to distinguish in one hand, the
406 "\,intra-network" which refers to the links between nodes within a
407 cluster and in the other hand, the "\,inter-network" which is the
408 backbone link between clusters. By design, these two networks perform
409 with different speed. The intra-network generally works like a high
410 speed local network with a high bandwith and very low latency. In
411 opposite, the inter-network connects clusters sometime via heterogeneous
412 networks components thru internet with a lower speed. The network
413 between distant clusters might be a bottleneck for the global
414 performance of the application.
415
416 \subsection{Comparing GMRES and Multisplitting algorithms in
417 synchronous mode}
418
419 In the scope of this paper, our first objective is to demonstrate the
420 Algo-2 (Multisplitting method) shows a better performance in grid
421 architecture compared with Algo-1 (Classical GMRES) both running in
422 \textit{synchronous mode}. Better algorithm performance
423 should means a less number of iterations output and a less execution time
424 before reaching the convergence. For a systematic study, the experiments
425 should figure out that, for various grid parameters values, the
426 simulator will confirm the targeted outcomes, particularly for poor and
427 slow networks, focusing on the impact on the communication performance
428 on the chosen class of algorithm.
429
430 The following paragraphs present the test conditions, the output results
431 and our comments.\\
432
433
434 \textit{3.a Executing the algorithms on various computational grid
435 architecture and scaling up the input matrix size}
436 \\
437
438 % environment
439 \begin{footnotesize}
440 \begin{tabular}{r c }
441  \hline
442  Grid & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
443  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
444  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
445  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
446  \end{tabular}
447 Table 1 : Clusters x Nodes with N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \\
448
449 \end{footnotesize}
450
451
452
453 %\RCE{J'ai voulu mettre les tableaux des données mais je pense que c'est inutile et ça va surcharger}
454
455
456 In this section, we compare the algorithms performance running on various grid configuration (2x16, 4x8, 4x16 and 8x8). First, the results in figure 3 show for all grid configuration the non-variation of the number of iterations of classical GMRES for a given input matrix size; it is not
457 the case for the multisplitting method.
458
459 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
460 \begin{figure} [ht!]
461 \centering
462 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
463 \caption{Cluster x Nodes N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170}
464 %\label{overflow}}
465 \end{figure}
466 %\end{wrapfigure}
467
468 The execution time difference between the two algorithms is important when
469 comparing between different grid architectures, even with the same number of
470 processors (like 2x16 and 4x8 = 32 processors for example). The
471 experiment concludes the low sensitivity of the multisplitting method
472 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors in the grid: in average, the GMRES (resp. Multisplitting) algorithm performs 40\% better (resp. 48\%) less when running from 2x16=32 to 8x8=64 processors.
473
474 \textit{\\3.b Running on two different speed cluster inter-networks\\}
475
476 % environment
477 \begin{footnotesize}
478 \begin{tabular}{r c }
479  \hline
480  Grid & 2x16, 4x8\\ %\hline
481  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
482  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
483  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
484  \end{tabular}
485 Table 2 : Clusters x Nodes - Networks N1 x N2 \\
486
487  \end{footnotesize}
488
489
490
491 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
492 \begin{figure} [ht!]
493 \centering
494 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
495 \caption{Cluster x Nodes N1 x N2}
496 %\label{overflow}}
497 \end{figure}
498 %\end{wrapfigure}
499
500 The experiments compare the behavior of the algorithms running first on
501 a speed inter- cluster network (N1) and also on a less performant network (N2).
502 Figure 4 shows that end users will gain to reduce the execution time
503 for both algorithms in using a grid architecture like 4x16 or 8x8: the
504 performance was increased in a factor of 2. The results depict also that
505 when the network speed drops down (12.5\%), the difference between the execution
506 times can reach more than 25\%.
507
508 \textit{\\3.c Network latency impacts on performance\\}
509
510 % environment
511 \begin{footnotesize}
512 \begin{tabular}{r c }
513  \hline
514  Grid & 2x16\\ %\hline
515  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
516  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline\\
517  \end{tabular}
518 Table 3 : Network latency impact \\
519
520 \end{footnotesize}
521
522
523
524 \begin{figure} [ht!]
525 \centering
526 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
527 \caption{Network latency impact on execution time}
528 %\label{overflow}}
529 \end{figure}
530
531
532 According the results in figure 5, degradation of the network
533 latency from 8.10$^{-6}$ to 6.10$^{-5}$ implies an absolute time
534 increase more than 75\% (resp. 82\%) of the execution for the classical
535 GMRES (resp. multisplitting) algorithm. In addition, it appears that the
536 multisplitting method tolerates more the network latency variation with
537 a less rate increase of the execution time. Consequently, in the worst case (lat=6.10$^{-5
538 }$), the execution time for GMRES is almost the double of the time for
539 the multisplitting, even though, the performance was on the same order
540 of magnitude with a latency of 8.10$^{-6}$.
541
542 \textit{\\3.d Network bandwidth impacts on performance\\}
543
544 % environment
545 \begin{footnotesize}
546 \begin{tabular}{r c }
547  \hline
548  Grid & 2x16\\ %\hline
549  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
550  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
551  \end{tabular}
552 Table 4 : Network bandwidth impact \\
553
554 \end{footnotesize}
555
556
557 \begin{figure} [ht!]
558 \centering
559 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
560 \caption{Network bandwith impact on execution time}
561 %\label{overflow}
562 \end{figure}
563
564
565
566 The results of increasing the network bandwidth show the improvement
567 of the performance for both of the two algorithms by reducing the execution time (Figure 6). However, and again in this case, the multisplitting method presents a better performance in the considered bandwidth interval with a gain of 40\% which is only around 24\% for classical GMRES.
568
569 \textit{\\3.e Input matrix size impacts on performance\\}
570
571 % environment
572 \begin{footnotesize}
573 \begin{tabular}{r c }
574  \hline
575  Grid & 4x8\\ %\hline
576  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
577  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline \\
578  \end{tabular}
579 Table 5 : Input matrix size impact\\
580
581 \end{footnotesize}
582
583
584 \begin{figure} [ht!]
585 \centering
586 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
587 \caption{Pb size impact on execution time}
588 %\label{overflow}}
589 \end{figure}
590
591 In this experimentation, the input matrix size has been set from
592 N$_{x}$ = N$_{y}$ = N$_{z}$ = 40 to 200 side elements that is from 40$^{3}$ = 64.000 to
593 200$^{3}$ = 8.000.000 points. Obviously, as shown in the figure 7,
594 the execution time for the two algorithms convergence increases with the
595 input matrix size. But the interesting results here direct on (i) the
596 drastic increase (300 times) of the number of iterations needed before
597 the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
598 go beyond N$_{x}$=150; (ii) the classical GMRES execution time also almost
599 the double from N$_{x}$=140 compared with the convergence time of the
600 multisplitting method. These findings may help a lot end users to setup
601 the best and the optimal targeted environment for the application
602 deployment when focusing on the problem size scale up. Note that the
603 same test has been done with the grid 2x16 getting the same conclusion.
604
605 \textit{\\3.f CPU Power impact on performance\\}
606
607 % environment
608 \begin{footnotesize}
609 \begin{tabular}{r c }
610  \hline
611  Grid & 2x16\\ %\hline
612  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
613  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
614  \end{tabular}
615 Table 6 : CPU Power impact \\
616
617 \end{footnotesize}
618
619
620 \begin{figure} [ht!]
621 \centering
622 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
623 \caption{CPU Power impact on execution time}
624 %\label{overflow}}
625 \end{figure}
626
627 Using the Simgrid simulator flexibility, we have tried to determine the
628 impact on the algorithms performance in varying the CPU power of the
629 clusters nodes from 1 to 19 GFlops. The outputs depicted in the figure 6
630 confirm the performance gain, around 95\% for both of the two methods,
631 after adding more powerful CPU. 
632
633 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and
634 Multisplitting algorithms in asynchronous mode}
635
636 The previous paragraphs put in evidence the interests to simulate the
637 behavior of the application before any deployment in a real environment.
638 We have focused the study on analyzing the performance in varying the
639 key factors impacting the results. The study compares
640 the performance of the two proposed algorithms both in \textit{synchronous mode
641 }. In this section, following the same previous methodology, the goal is to
642 demonstrate the efficiency of the multisplitting method in \textit{
643 asynchronous mode} compared with the classical GMRES staying in
644 \textit{synchronous mode}.
645
646 Note that the interest of using the asynchronous mode for data exchange
647 is mainly, in opposite of the synchronous mode, the non-wait aspects of
648 the current computation after a communication operation like sending
649 some data between nodes. Each processor can continue their local
650 calculation without waiting for the end of the communication. Thus, the
651 asynchronous may theoretically reduce the overall execution time and can
652 improve the algorithm performance.
653
654 As stated supra, Simgrid simulator tool has been used to prove the
655 efficiency of the multisplitting in asynchronous mode and to find the
656 best combination of the grid resources (CPU, Network, input matrix size,
657 \ldots ) to get the highest \textit{"relative gain"} (exec\_time$_{GMRES}$ / exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
658
659
660 The test conditions are summarized in the table below : \\
661
662 % environment
663 \begin{footnotesize}
664 \begin{tabular}{r c }
665  \hline
666  Grid & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
667  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
668    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
669    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
670  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
671  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
672  \end{tabular}
673 \end{footnotesize}
674
675 Again, comprehensive and extensive tests have been conducted varying the
676 CPU power and the network parameters (bandwidth and latency) in the
677 simulator tool with different problem size. The relative gains greater
678 than 1 between the two algorithms have been captured after each step of
679 the test. Table 7 below has recorded the best grid configurations
680 allowing the multisplitting method execution time more performant 2.5 times than
681 the classical GMRES execution and convergence time. The experimentation has demonstrated the relative multisplitting algorithm tolerance when using a low speed network that we encounter usually with distant clusters thru the internet.
682
683 % use the same column width for the following three tables
684 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
685 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
686   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
687   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
688                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
689     \end{tabular}}
690
691
692 \begin{table}[!t]
693   \centering
694 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
695 %  \label{"Table 7"}
696 Table 7. Relative gain of the multisplitting algorithm compared with
697 the classical GMRES \\
698
699   \begin{mytable}{11}
700     \hline
701     bandwidth (Mbit/s)
702     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
703     \hline
704     latency (ms)
705     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
706     \hline
707     power (GFlops)
708     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
709     \hline
710     size (N)
711     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
712     \hline
713     Precision
714     & \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}\\
715     \hline
716     Relative gain
717     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
718     \hline
719   \end{mytable}
720 \end{table}
721
722 \section{Conclusion}
723 CONCLUSION
724
725
726 \section*{Acknowledgment}
727
728 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
729
730
731 \bibliographystyle{wileyj}
732 \bibliography{biblio}
733
734 \end{document}
735
736 %%% Local Variables:
737 %%% mode: latex
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739 %%% fill-column: 80
740 %%% ispell-local-dictionary: "american"
741 %%% End: