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54
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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{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
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). 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 the 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
311 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also  ensure the
312 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
313 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the Simgrid
314 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
315 libraries  and related  header files  (smpi.h).  The  second modification  is to
316 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
317 Simgrid      selector       called      "runtime       automatic      switching"
318 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
319 effects on runtime between the threads running in the same process, generated by
320 Simgrid  to simulate the  grid environment.
321
322 %\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
323 %last modification on the  MPI program pointed out for some  cases, the review of
324 %the sequence of  the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and  MPI\_Waitall instructions which
325 %might cause an infinite loop.
326
327
328 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
329 \  \\ \noindent  Before running  a Simgrid  benchmark, many  parameters for  the
330 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
331 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
332 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
333
334 \begin{itemize}
335         \item hostfile: hosts description file.
336         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
337 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
338 latency lat, \dots{}).
339         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
340 nodes/processors for each cluster).
341 \end{itemize}
342 \noindent
343 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
344
345 \begin{itemize}
346         \item maximum number of inner and outer iterations;
347         \item inner and outer precisions;
348         \item maximum number of the gmres's restarts in the Arnorldi process;
349         \item maximum number of iterations qnd the tolerance threshold in classical GMRES;
350         \item tolerance threshold for outer and inner-iterations;
351         \item matrix size (N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$) respectively on x, y, z axis;
352         \item matrix diagonal value = 6.0 for synchronous Krylov multisplitting experiments and 6.2 for asynchronous block Jacobi experiments; \RC{CE tu vérifies, je dis ca de tête}
353         \item matrix off-diagonal value;
354         \item execution mode: synchronous or asynchronous;
355         \RCE {C'est ok la liste des arguments du programme mais si Lilia ou toi pouvez preciser pour les  arguments pour CGLS ci dessous} \RC{Vu que tu n'as pas fait varier ce paramètre, on peut ne pas en parler}
356         \item Size of matrix S;
357         \item Maximum number of iterations and tolerance threshold for CGLS. 
358 \end{itemize}
359
360 It should also be noticed that both solvers have been executed with the Simgrid selector -cfg=smpi/running\_power which determines the computational power (here 19GFlops) of the simulator host machine.
361
362 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
363 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
364
365 \section{Experimental Results}
366 \label{sec:expe}
367
368 In this section, experiments for both Multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
369
370 \subsection{3D Poisson}
371
372
373 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
374 \begin{equation}
375 \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
376 \label{eq:07}
377 \end{equation}
378 such that
379 \begin{equation*}
380 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
381 \end{equation*}
382 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      
383 \begin{equation}
384 \begin{array}{ll}
385 \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))
386 \end{array}
387 \label{eq:08}
388 \end{equation}
389 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid. 
390
391 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. 
392
393 \subsection{Study setup and Simulation Methodology}
394
395 First, to conduct our study, we propose the following methodology
396 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
397
398 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
399 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
400 have been chosen for the study in this paper. \\
401
402 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the
403 experimentation. In our case, we have two variants algorithms for the
404 resolution of the 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the Multisplitting method. In addition, the Simgrid simulator has been chosen to simulate the behaviors of the
405 distributed applications. Simgrid is running on the Mesocentre datacenter in the University of  Franche-Comte and also in a virtual machine on a simple laptop. \\
406
407 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
408 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
409 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
410 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
411
412 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
413 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architecture
414 has been configured in Simgrid : 2x16, 4x8, 4x16, 8x8 and 2x50. The first number
415 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
416 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network  has been
417 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
418 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
419 (resp.  inter-clusters backbone links). \\
420
421 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
422 within these configurations by varying the key parameters, especially
423 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
424 input data.  \\
425
426 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
427
428 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
429 a grid environment}
430
431 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
432 have a strong impact on the performances.  First of all, the architecture of the
433 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
434 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
435 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
436 increase.
437
438 Another important factor  impacting the overall performances  of the application
439 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
440 the program output results:
441 \begin{enumerate}
442 \item  the network  bandwidth  (bw=bits/s) also  known  as "the  data-carrying
443     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
444     from one point to another in a unit of time.
445 \item the  network latency  (lat :  microsecond) defined as  the delay  from the
446   start time to send  the data from a source and the  final time the destination
447   have finished to receive it.
448 \end{enumerate}
449 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the
450 application dependent volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
451 and  between distant  clusters.  Large volume  of data  can  be transferred  and
452 transit between the clusters and nodes during the code execution.
453
454  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
455  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and,
456  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
457  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.  The
458  intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a  high
459  bandwith and very low latency. In opposite, the inter-network connects clusters
460  sometime via  heterogeneous networks components  throuth internet with  a lower
461  speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck for  the
462  global performance of the application.
463
464 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov Multisplitting algorithms in
465 synchronous mode}
466
467 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
468 Multisplitting  method   has  better  performances  than   the  classical  GMRES
469 method. With an  iterative method, better performances mean a  smaller number of
470 iterations and execution time before reaching the convergence.  For a systematic
471 study,  the experiments  should figure  out  that, for  various grid  parameters
472 values, the simulator will confirm  the targeted outcomes, particularly for poor
473 and slow  networks, focusing on the  impact on the communication  performance on
474 the chosen class of algorithm.
475
476 The following paragraphs present the test conditions, the output results
477 and our comments.\\
478
479
480 \subsubsection{Execution of the the algorithms on various computational grid
481 architecture and scaling up the input matrix size}
482 \ \\
483 % environment
484 \begin{footnotesize}
485 \begin{tabular}{r c }
486  \hline
487  Grid & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
488  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
489  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
490  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
491  \end{tabular}
492 Table 1 : Clusters x Nodes with N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \\
493
494 \end{footnotesize}
495
496
497
498 %\RCE{J'ai voulu mettre les tableaux des données mais je pense que c'est inutile et ça va surcharger}
499
500
501 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
502 the case for the multisplitting method.
503
504 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
505 \begin{figure} [ht!]
506 \centering
507 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
508 \caption{Cluster x Nodes N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170}
509 %\label{overflow}}
510 \end{figure}
511 %\end{wrapfigure}
512
513 The execution time difference between the two algorithms is important when
514 comparing between different grid architectures, even with the same number of
515 processors (like 2x16 and 4x8 = 32 processors for example). The
516 experiment concludes the low sensitivity of the multisplitting method
517 (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.
518
519 \textit{\\3.b Running on two different speed cluster inter-networks\\}
520
521 % environment
522 \begin{footnotesize}
523 \begin{tabular}{r c }
524  \hline
525  Grid & 2x16, 4x8\\ %\hline
526  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
527  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
528  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
529  \end{tabular}
530 Table 2 : Clusters x Nodes - Networks N1 x N2 \\
531
532  \end{footnotesize}
533
534
535
536 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
537 \begin{figure} [ht!]
538 \centering
539 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
540 \caption{Cluster x Nodes N1 x N2}
541 %\label{overflow}}
542 \end{figure}
543 %\end{wrapfigure}
544
545 The experiments compare the behavior of the algorithms running first on
546 a speed inter- cluster network (N1) and also on a less performant network (N2).
547 Figure 4 shows that end users will gain to reduce the execution time
548 for both algorithms in using a grid architecture like 4x16 or 8x8: the
549 performance was increased in a factor of 2. The results depict also that
550 when the network speed drops down (12.5\%), the difference between the execution
551 times can reach more than 25\%.
552
553 \textit{\\3.c Network latency impacts on performance\\}
554
555 % environment
556 \begin{footnotesize}
557 \begin{tabular}{r c }
558  \hline
559  Grid & 2x16\\ %\hline
560  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
561  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline\\
562  \end{tabular}
563 Table 3 : Network latency impact \\
564
565 \end{footnotesize}
566
567
568
569 \begin{figure} [ht!]
570 \centering
571 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
572 \caption{Network latency impact on execution time}
573 %\label{overflow}}
574 \end{figure}
575
576
577 According the results in figure 5, degradation of the network
578 latency from 8.10$^{-6}$ to 6.10$^{-5}$ implies an absolute time
579 increase more than 75\% (resp. 82\%) of the execution for the classical
580 GMRES (resp. multisplitting) algorithm. In addition, it appears that the
581 multisplitting method tolerates more the network latency variation with
582 a less rate increase of the execution time. Consequently, in the worst case (lat=6.10$^{-5
583 }$), the execution time for GMRES is almost the double of the time for
584 the multisplitting, even though, the performance was on the same order
585 of magnitude with a latency of 8.10$^{-6}$.
586
587 \textit{\\3.d Network bandwidth impacts on performance\\}
588
589 % environment
590 \begin{footnotesize}
591 \begin{tabular}{r c }
592  \hline
593  Grid & 2x16\\ %\hline
594  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
595  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
596  \end{tabular}
597 Table 4 : Network bandwidth impact \\
598
599 \end{footnotesize}
600
601
602 \begin{figure} [ht!]
603 \centering
604 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
605 \caption{Network bandwith impact on execution time}
606 %\label{overflow}
607 \end{figure}
608
609
610
611 The results of increasing the network bandwidth show the improvement
612 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.
613
614 \textit{\\3.e Input matrix size impacts on performance\\}
615
616 % environment
617 \begin{footnotesize}
618 \begin{tabular}{r c }
619  \hline
620  Grid & 4x8\\ %\hline
621  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
622  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline \\
623  \end{tabular}
624 Table 5 : Input matrix size impact\\
625
626 \end{footnotesize}
627
628
629 \begin{figure} [ht!]
630 \centering
631 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
632 \caption{Pb size impact on execution time}
633 %\label{overflow}}
634 \end{figure}
635
636 In this experimentation, the input matrix size has been set from
637 N$_{x}$ = N$_{y}$ = N$_{z}$ = 40 to 200 side elements that is from 40$^{3}$ = 64.000 to
638 200$^{3}$ = 8.000.000 points. Obviously, as shown in the figure 7,
639 the execution time for the two algorithms convergence increases with the
640 iinput matrix size. But the interesting results here direct on (i) the
641 drastic increase (300 times) of the number of iterations needed before
642 the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
643 go beyond N$_{x}$=150; (ii) the classical GMRES execution time also almost
644 the double from N$_{x}$=140 compared with the convergence time of the
645 multisplitting method. These findings may help a lot end users to setup
646 the best and the optimal targeted environment for the application
647 deployment when focusing on the problem size scale up. Note that the
648 same test has been done with the grid 2x16 getting the same conclusion.
649
650 \textit{\\3.f CPU Power impact on performance\\}
651
652 % environment
653 \begin{footnotesize}
654 \begin{tabular}{r c }
655  \hline
656  Grid & 2x16\\ %\hline
657  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
658  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
659  \end{tabular}
660 Table 6 : CPU Power impact \\
661
662 \end{footnotesize}
663
664
665 \begin{figure} [ht!]
666 \centering
667 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
668 \caption{CPU Power impact on execution time}
669 %\label{overflow}}
670 s\end{figure}
671
672 Using the Simgrid simulator flexibility, we have tried to determine the
673 impact on the algorithms performance in varying the CPU power of the
674 clusters nodes from 1 to 19 GFlops. The outputs depicted in the figure 6
675 confirm the performance gain, around 95\% for both of the two methods,
676 after adding more powerful CPU. 
677
678 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and
679 Multisplitting algorithms in asynchronous mode}
680
681 The previous paragraphs put in evidence the interests to simulate the
682 behavior of the application before any deployment in a real environment.
683 We have focused the study on analyzing the performance in varying the
684 key factors impacting the results. The study compares
685 the performance of the two proposed algorithms both in \textit{synchronous mode
686 }. In this section, following the same previous methodology, the goal is to
687 demonstrate the efficiency of the multisplitting method in \textit{
688 asynchronous mode} compared with the classical GMRES staying in
689 \textit{synchronous mode}.
690
691 Note that the interest of using the asynchronous mode for data exchange
692 is mainly, in opposite of the synchronous mode, the non-wait aspects of
693 the current computation after a communication operation like sending
694 some data between nodes. Each processor can continue their local
695 calculation without waiting for the end of the communication. Thus, the
696 asynchronous may theoretically reduce the overall execution time and can
697 improve the algorithm performance.
698
699 As stated supra, Simgrid simulator tool has been used to prove the
700 efficiency of the multisplitting in asynchronous mode and to find the
701 best combination of the grid resources (CPU, Network, input matrix size,
702 \ldots ) to get the highest \textit{"relative gain"} (exec\_time$_{GMRES}$ / exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
703
704
705 The test conditions are summarized in the table below : \\
706
707 % environment
708 \begin{footnotesize}
709 \begin{tabular}{r c }
710  \hline
711  Grid & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
712  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
713    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
714    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
715  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
716  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
717  \end{tabular}
718 \end{footnotesize}
719
720 Again, comprehensive and extensive tests have been conducted varying the
721 CPU power and the network parameters (bandwidth and latency) in the
722 simulator tool with different problem size. The relative gains greater
723 than 1 between the two algorithms have been captured after each step of
724 the test. Table 7 below has recorded the best grid configurations
725 allowing the multisplitting method execution time more performant 2.5 times than
726 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.
727
728 % use the same column width for the following three tables
729 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
730 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
731   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
732   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
733                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
734     \end{tabular}}
735
736
737 \begin{table}[!t]
738   \centering
739 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
740 %  \label{"Table 7"}
741 Table 7. Relative gain of the multisplitting algorithm compared with
742 the classical GMRES \\
743
744   \begin{mytable}{11}
745     \hline
746     bandwidth (Mbit/s)
747     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
748     \hline
749     latency (ms)
750     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
751     \hline
752     power (GFlops)
753     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
754     \hline
755     size (N)
756     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
757     \hline
758     Precision
759     & \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}\\
760     \hline
761     Relative gain
762     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
763     \hline
764   \end{mytable}
765 \end{table}
766
767 \section{Conclusion}
768 CONCLUSION
769
770
771 \section*{Acknowledgment}
772
773 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
774
775
776 \bibliographystyle{wileyj}
777 \bibliography{biblio}
778
779 \end{document}
780
781 %%% Local Variables:
782 %%% mode: latex
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