]> AND Private Git Repository - rce2015.git/blob - paper.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
RCE : Quelques corrections
[rce2015.git] / paper.tex
1 \documentclass[times]{cpeauth}
2
3 \usepackage{moreverb}
4
5 %\usepackage[dvips,colorlinks,bookmarksopen,bookmarksnumbered,citecolor=red,urlcolor=red]{hyperref}
6
7 %\newcommand\BibTeX{{\rmfamily B\kern-.05em \textsc{i\kern-.025em b}\kern-.08em
8 %T\kern-.1667em\lower.7ex\hbox{E}\kern-.125emX}}
9
10 \def\volumeyear{2015}
11
12 \usepackage{graphicx}
13 \usepackage{wrapfig}
14 \usepackage{grffile}
15
16 \usepackage[T1]{fontenc}
17 \usepackage[utf8]{inputenc}
18 \usepackage{amsfonts,amssymb}
19 \usepackage{amsmath}
20 \usepackage{algorithm}
21 \usepackage{algpseudocode}
22 %\usepackage{amsthm}
23 \usepackage{graphicx}
24 \usepackage[american]{babel}
25 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
26 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
27 %\usepackage{hyperref}
28
29 \usepackage{url}
30 \DeclareUrlCommand\email{\urlstyle{same}}
31
32 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
33 \AtBeginDocument{%
34   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
35   \npthousandthpartsep{}}
36
37 \usepackage{xspace}
38 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
39
40 \newcommand{\AG}[2][inline]{%
41   \todo[color=green!50,#1]{\sffamily\textbf{AG:} #2}\xspace}
42 \newcommand{\RC}[2][inline]{%
43   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{RC:} #2}\xspace}
44 \newcommand{\LZK}[2][inline]{%
45   \todo[color=blue!10,#1]{\sffamily\textbf{LZK:} #2}\xspace}
46 \newcommand{\RCE}[2][inline]{%
47   \todo[color=yellow!10,#1]{\sffamily\textbf{RCE:} #2}\xspace}
48
49 \algnewcommand\algorithmicinput{\textbf{Input:}}
50 \algnewcommand\Input{\item[\algorithmicinput]}
51
52 \algnewcommand\algorithmicoutput{\textbf{Output:}}
53 \algnewcommand\Output{\item[\algorithmicoutput]}
54
55 \newcommand{\TOLG}{\mathit{tol_{gmres}}}
56 \newcommand{\MIG}{\mathit{maxit_{gmres}}}
57 \newcommand{\TOLM}{\mathit{tol_{multi}}}
58 \newcommand{\MIM}{\mathit{maxit_{multi}}}
59 \newcommand{\TOLC}{\mathit{tol_{cgls}}}
60 \newcommand{\MIC}{\mathit{maxit_{cgls}}}
61
62 \usepackage{array}
63 \usepackage{color, colortbl}
64 \newcolumntype{M}[1]{>{\centering\arraybackslash}m{#1}}
65 \newcolumntype{Z}[1]{>{\raggedleft}m{#1}}
66
67 \newcolumntype{g}{>{\columncolor{Gray}}c}
68 \definecolor{Gray}{gray}{0.9}
69
70
71
72 \begin{document}
73 \RCE{Titre a confirmer.}
74 \title{Comparative performance analysis of simulated grid-enabled numerical iterative algorithms}
75 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
76
77 \author{    Charles Emile Ramamonjisoa and
78     David Laiymani and
79     Arnaud Giersch and
80     Lilia Ziane Khodja and
81     Raphaël Couturier
82 }
83
84 \address{
85         \centering    
86     Femto-ST Institute - DISC Department\\
87     Université de Franche-Comté\\
88     Belfort\\
89     Email: \email{{raphael.couturier,arnaud.giersch,david.laiymani,charles.ramamonjisoa}@univ-fcomte.fr}
90 }
91
92 %% Lilia Ziane Khodja: Department of Aerospace \& Mechanical Engineering\\ Non Linear Computational Mechanics\\ University of Liege\\ Liege, Belgium. Email: l.zianekhodja@ulg.ac.be
93
94 \begin{abstract}
95   The behavior of multicore applications is always a challenge to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation tool which allows us to change many parameters of the architecture (network bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such applications. We have decided to use SimGrid as it enables to benchmark MPI applications.
96
97 In this paper, we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
98 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
99 These algorithms  are used to  solve libear  systems. Two different  variantsof the Multisplitting are
100 studied: one  using synchronoous  iterations and  another one  with asynchronous
101 iterations. For each algorithm we have  tested different parameters to see their
102 influence.  We strongly  recommend people  interested  by investing  into a  new
103 expensive  hardware  architecture  to   benchmark  their  applications  using  a
104 simulation tool before.
105
106   
107
108   
109 \end{abstract}
110
111 \keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid; performance}
112
113 \maketitle
114
115 \section{Introduction} 
116
117 \section{The asynchronous iteration model}
118
119 \section{SimGrid}
120
121 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
122 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
123
124 \section{Two-stage multisplitting methods}
125 \label{sec:04}
126 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
127 \label{sec:04.01}
128 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 $\mathbb{R}$
129 \begin{equation}
130 Ax=b,
131 \label{eq:01}
132 \end{equation}
133 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
134 \begin{equation}
135 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
136 \label{eq:02}
137 \end{equation}
138 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 
139 \begin{equation}
140 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
141 \label{eq:03}
142 \end{equation}
143 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}. 
144
145 \begin{figure}[t]
146 %\begin{algorithm}[t]
147 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
148 \begin{algorithmic}[1]
149   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
150   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
151   \State Set the initial guess $x^0$
152   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
153     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
154     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
155     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
156     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
157   \EndFor
158 \end{algorithmic}
159 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
160 \label{alg:01}
161 %\end{algorithm} 
162 \end{figure}
163
164 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
165 \begin{equation}
166 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
167 \label{eq:04}
168 \end{equation}    
169 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm. 
170
171 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 
172 \begin{equation}
173 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
174 \label{eq:05}
175 \end{equation}   
176 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual
177 \begin{equation}
178 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
179 \label{eq:06}
180 \end{equation} 
181 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}).
182  
183 \begin{figure}[t]
184 %\begin{algorithm}[t]
185 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
186 \begin{algorithmic}[1]
187   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
188   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
189   \State Set the initial guess $x^0$
190   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
191     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
192     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
193     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
194     \If{$k\mod s = 0$}
195        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
196        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
197        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
198        \Else 
199          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
200     \EndIf
201     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
202   \EndFor
203 \end{algorithmic}
204 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
205 \label{alg:02}
206 %\end{algorithm} 
207 \end{figure}
208
209 \subsection{Simulation of two-stage methods using SimGrid framework}
210 \label{sec:04.02}
211
212 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.     
213
214
215 \paragraph{SIMGRID Simulator parameters}
216
217 \begin{itemize}
218         \item hostfile: Hosts description file.
219         \item plarform: File describing the platform architecture : clusters (CPU power,
220 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
221 latency lat, \dots{}).
222         \item archi   : Grid computational description (Number of clusters, Number of 
223 nodes/processors for each cluster). 
224 \end{itemize}
225
226
227 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
228
229 \begin{itemize}
230         \item Maximum number of inner and outer iterations;
231         \item Inner and outer precisions;
232         \item Matrix size (N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$);
233         \item Matrix diagonal value = 6.0;
234         \item Execution Mode: synchronous or asynchronous.
235 \end{itemize}
236
237 At last, note that the two solver algorithms have been executed with the Simgrid selector -cfg=smpi/running\_power which determine the computational power (here 19GFlops) of the simulator host machine.  
238
239 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
240 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
241
242 \section{Experimental Results}
243
244
245 \subsection{Setup study and Methodology}
246
247 To conduct our study, we have put in place the following methodology 
248 which can be reused for any grid-enabled applications.
249
250 \textbf{Step 1} : Choose with the end users the class of algorithms or 
251 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms 
252 have been chosen for the study in this paper. \\
253
254 \textbf{Step 2} : Collect the software materials needed for the 
255 experimentation. In our case, we have two variants algorithms for the 
256 resolution of three 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 
257 distributed applications. SIMGRID is running on the Mesocentre datacenter in Franche-Comte University but also in a virtual machine on a laptop. \\
258
259 \textbf{Step 3} : Fix the criteria which will be used for the future 
260 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain 
261 in one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous) 
262 and in the other hand the execution time and the number of iterations of 
263 the application before obtaining the convergence. \\
264
265 \textbf{Step 4 }: Setup up the different grid testbeds environment 
266 which will be simulated in the simulator tool to run the program. The 
267 following architecture has been configured in Simgrid : 2x16 - that is a 
268 grid containing 2 clusters with 16 hosts (processors/cores) each -, 4x8, 
269 4x16, 8x8 and 2x50. The network has been designed to operate with a 
270 bandwidth equals to 10Gbits (resp. 1Gbits/s) and a latency of 8E-6 
271 microseconds (resp. 5E-5) for the intra-clusters links (resp. 
272 inter-clusters backbone links). \\
273
274 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings 
275 within these configurations in varying the key parameters, especially 
276 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the 
277 input matrix. Note that some parameters should be fixed to be invariant to allow the 
278 comparison like some program input arguments. \\
279
280 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
281
282 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in 
283 a grid environment}
284
285 From our previous experience on running distributed application in a 
286 computational grid, many factors are identified to have an impact on the 
287 program behavior and performance on this specific environment. Mainly, 
288 first of all, the architecture of the grid itself can obviously 
289 influence the performance results of the program. The performance gain 
290 might be important theoretically when the number of clusters and/or the 
291 number of nodes (processors/cores) in each individual cluster increase. 
292
293 Another important factor impacting the overall performance of the 
294 application is the network configuration. Two main network parameters 
295 can modify drastically the program output results : (i) the network 
296 bandwidth (bw=bits/s) also known as "the data-carrying capacity" 
297 of the network is defined as the maximum of data that can pass 
298 from one point to another in a unit of time. (ii) the network latency 
299 (lat : microsecond) defined as the delay from the start time to send the 
300 data from a source and the final time the destination have finished to 
301 receive it. Upon the network characteristics, another impacting factor 
302 is the application dependent volume of data exchanged between the nodes 
303 in the cluster and between distant clusters. Large volume of data can be 
304 transferred in transit between the clusters and nodes during the code 
305 execution. 
306
307  In a grid environment, it is common to distinguish in one hand, the 
308 "\,intra-network" which refers to the links between nodes within a 
309 cluster and in the other hand, the "\,inter-network" which is the 
310 backbone link between clusters. By design, these two networks perform 
311 with different speed. The intra-network generally works like a high 
312 speed local network with a high bandwith and very low latency. In 
313 opposite, the inter-network connects clusters sometime via heterogeneous 
314 networks components thru internet with a lower speed. The network 
315 between distant clusters might be a bottleneck for the global 
316 performance of the application. 
317
318 \subsection{Comparing GMRES and Multisplitting algorithms in 
319 synchronous mode}
320
321 In the scope of this paper, our first objective is to demonstrate the 
322 Algo-2 (Multisplitting method) shows a better performance in grid 
323 architecture compared with Algo-1 (Classical GMRES) both running in 
324 \textbf{\textit{synchronous mode}}. Better algorithm performance 
325 should mean a less number of iterations output and a less execution time 
326 before reaching the convergence. For a systematic study, the experiments 
327 should figure out that, for various grid parameters values, the 
328 simulator will confirm the targeted outcomes, particularly for poor and 
329 slow networks, focusing on the impact on the communication performance 
330 on the chosen class of algorithm.
331
332 The following paragraphs present the test conditions, the output results 
333 and our comments.
334
335
336 \textit{3.a Executing the algorithms on various computational grid 
337 architecture scaling up the input matrix size}
338 \\
339
340 % environment
341 \begin{footnotesize}
342 \begin{tabular}{r c }
343  \hline  
344  Grid & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
345  Network & N2 : bw=1Gbs-lat=5E-05 \\ %\hline
346  Input matrix size & N$_{x}$ =150 x 150 x 150 and\\ %\hline
347  - & N$_{x}$ =170 x 170 x 170    \\ \hline
348  \end{tabular}
349 Table 1 : Clusters x Nodes with NX=150 or NX=170 \\
350
351 \end{footnotesize}
352
353
354  
355 %\RCE{J'ai voulu mettre les tableaux des données mais je pense que c'est inutile et ça va surcharger}
356
357
358 The results in figure 1 show the non-variation of the number of 
359 iterations of classical GMRES for a given input matrix size; it is not 
360 the case for the multisplitting method. 
361
362 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
363 \begin{figure} [ht!]
364 \centering
365 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
366 \caption{Cluster x Nodes NX=150 and NX=170} 
367 %\label{overflow}}
368 \end{figure}
369 %\end{wrapfigure}
370
371 Unless the 8x8 cluster, the time 
372 execution difference between the two algorithms is important when 
373 comparing between different grid architectures, even with the same number of 
374 processors (like 2x16 and 4x8 = 32 processors for example). The 
375 experiment concludes the low sensitivity of the multisplitting method 
376 (compared with the classical GMRES) when scaling up to higher input 
377 matrix size. 
378
379 \textit{\\3.b Running on various computational grid architecture\\}
380
381 % environment
382 \begin{footnotesize}
383 \begin{tabular}{r c }
384  \hline  
385  Grid & 2x16, 4x8\\ %\hline
386  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8E-06 \\ %\hline
387  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5E-05 \\
388  Input matrix size & N$_{x}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
389  \end{tabular}
390 Table 2 : Clusters x Nodes - Networks N1 x N2 \\
391
392  \end{footnotesize}
393
394
395
396 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
397 \begin{figure} [ht!]
398 \centering
399 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
400 \caption{Cluster x Nodes N1 x N2}
401 %\label{overflow}}
402 \end{figure}
403 %\end{wrapfigure}
404
405 The experiments compare the behavior of the algorithms running first on 
406 speed inter- cluster network (N1) and a less performant network (N2). 
407 The figure 2 shows that end users will gain to reduce the execution time 
408 for both algorithms in using a grid architecture like 4x16 or 8x8: the 
409 performance was increased in a factor of 2. The results depict also that 
410 when the network speed drops down, the difference between the execution 
411 times can reach more than 25\%. 
412
413 \textit{\\3.c Network latency impacts on performance\\}
414
415 % environment
416 \begin{footnotesize}
417 \begin{tabular}{r c }
418  \hline  
419  Grid & 2x16\\ %\hline
420  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
421  Input matrix size & N$_{x}$ =150 x 150 x 150\\ \hline\\
422  \end{tabular}
423
424 Table 3 : Network latency impact \\
425
426 \end{footnotesize}
427
428
429
430 \begin{figure} [ht!]
431 \centering
432 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
433 \caption{Network latency impact on execution time}
434 %\label{overflow}}
435 \end{figure}
436
437
438 According the results in table and figure 3, degradation of the network 
439 latency from 8.10$^{-6}$ to 6.10$^{-5}$ implies an absolute time 
440 increase more than 75\% (resp. 82\%) of the execution for the classical 
441 GMRES (resp. multisplitting) algorithm. In addition, it appears that the 
442 multisplitting method tolerates more the network latency variation with 
443 a less rate increase. Consequently, in the worst case (lat=6.10$^{-5
444 }$), the execution time for GMRES is almost the double of the time for 
445 the multisplitting, even though, the performance was on the same order 
446 of magnitude with a latency of 8.10$^{-6}$. 
447
448 \textit{\\3.d Network bandwidth impacts on performance\\}
449
450 % environment
451 \begin{footnotesize}
452 \begin{tabular}{r c }
453  \hline  
454  Grid & 2x16\\ %\hline
455  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5E-05 \\ %\hline
456  Input matrix size & N$_{x}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
457  \end{tabular}
458
459 Table 4 : Network bandwidth impact \\
460
461 \end{footnotesize}
462
463
464 \begin{figure} [ht!]
465 \centering
466 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
467 \caption{Network bandwith impact on execution time}
468 %\label{overflow}
469 \end{figure}
470
471
472
473 The results of increasing the network bandwidth depict the improvement 
474 of the performance by reducing the execution time for both of the two 
475 algorithms. However, and again in this case, the multisplitting method 
476 presents a better performance in the considered bandwidth interval with 
477 a gain of 40\% which is only around 24\% for classical GMRES.
478
479 \textit{\\3.e Input matrix size impacts on performance\\}
480
481 % environment
482 \begin{footnotesize}
483 \begin{tabular}{r c }
484  \hline  
485  Grid & 4x8\\ %\hline
486  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5E-05 \\ %\hline
487  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
488  \end{tabular}
489 Table 5 : Input matrix size impact\\
490
491 \end{footnotesize}
492
493
494 \begin{figure} [ht!]
495 \centering
496 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
497 \caption{Pb size impact on execution time}
498 %\label{overflow}}
499 \end{figure}
500
501 In this experimentation, the input matrix size has been set from 
502 Nx=Ny=Nz=40 to 200 side elements that is from 40$^{3}$ = 64.000 to 
503 200$^{3}$ = 8.000.000 points. Obviously, as shown in the figure 5, 
504 the execution time for the algorithms convergence increases with the 
505 input matrix size. But the interesting result here direct on (i) the 
506 drastic increase (300 times) of the number of iterations needed before 
507 the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size 
508 go beyond Nx=150; (ii) the classical GMRES execution time also almost 
509 the double from Nx=140 compared with the convergence time of the 
510 multisplitting method. These findings may help a lot end users to setup 
511 the best and the optimal targeted environment for the application 
512 deployment when focusing on the problem size scale up. Note that the 
513 same test has been done with the grid 2x16 getting the same conclusion.
514
515 \textit{\\3.f CPU Power impact on performance\\}
516
517 % environment
518 \begin{footnotesize}
519 \begin{tabular}{r c }
520  \hline  
521  Grid & 2x16\\ %\hline
522  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5E-05 \\ %\hline
523  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
524  \end{tabular}
525 Table 6 : CPU Power impact \\
526
527 \end{footnotesize}
528
529
530 \begin{figure} [ht!]
531 \centering
532 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
533 \caption{CPU Power impact on execution time}
534 %\label{overflow}}
535 \end{figure}
536
537 Using the SIMGRID simulator flexibility, we have tried to determine the 
538 impact on the algorithms performance in varying the CPU power of the 
539 clusters nodes from 1 to 19 GFlops. The outputs depicted in the figure 6 
540 confirm the performance gain, around 95\% for both of the two methods, 
541 after adding more powerful CPU. Note that the execution time axis in the 
542 figure is in logarithmic scale.
543
544 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and 
545 Multisplitting algorithms in asynchronous mode}
546
547 The previous paragraphs put in evidence the interests to simulate the 
548 behavior of the application before any deployment in a real environment. 
549 We have focused the study on analyzing the performance in varying the 
550 key factors impacting the results. In the same line, the study compares 
551 the performance of the two proposed methods in \textbf{synchronous mode
552 }. In this section, with the same previous methodology, the goal is to 
553 demonstrate the efficiency of the multisplitting method in \textbf{
554 asynchronous mode} compare with the classical GMRES staying in the 
555 synchronous mode.
556
557 Note that the interest of using the asynchronous mode for data exchange 
558 is mainly, in opposite of the synchronous mode, the non-wait aspects of 
559 the current computation after a communication operation like sending 
560 some data between nodes. Each processor can continue their local 
561 calculation without waiting for the end of the communication. Thus, the 
562 asynchronous may theoretically reduce the overall execution time and can 
563 improve the algorithm performance.
564
565 As stated supra, SIMGRID simulator tool has been used to prove the 
566 efficiency of the multisplitting in asynchronous mode and to find the 
567 best combination of the grid resources (CPU, Network, input matrix size, 
568 \ldots ) to get the highest "\,relative gain" in comparison with the 
569 classical GMRES time. 
570
571
572 The test conditions are summarized in the table below : \\
573
574 % environment
575 \begin{footnotesize}
576 \begin{tabular}{r c }
577  \hline  
578  Grid & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
579  Processors & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
580    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5E-05 \\ %\hline
581    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2E-02\\
582  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
583  Residual error precision: 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
584  \end{tabular}
585 \end{footnotesize}
586
587 Again, comprehensive and extensive tests have been conducted varying the 
588 CPU power and the network parameters (bandwidth and latency) in the 
589 simulator tool with different problem size. The relative gains greater 
590 than 1 between the two algorithms have been captured after each step of 
591 the test. Table I below has recorded the best grid configurations 
592 allowing a multiplitting method time more than 2.5 times lower than 
593 classical GMRES execution and convergence time. The finding thru this 
594 experimentation is the tolerance of the multisplitting method under a 
595 low speed network that we encounter usually with distant clusters thru the 
596 internet.
597
598 % use the same column width for the following three tables
599 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
600 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
601   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
602   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
603                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
604     \end{tabular}}
605
606 \begin{table}[!t]
607   \centering
608   \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with 
609 the classical GMRES}
610   \label{"Table 7"}
611
612   \begin{mytable}{6}
613     \hline
614     bandwidth (Mbit/s)
615     & 5         & 5         & 5         & 5         & 5 \\
616     \hline
617     latency (ms)
618     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
619     \hline
620     power (GFlops)
621     & 1         & 1         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
622     \hline
623     size (N)
624     & 62        & 62        & 62        & 100       & 100 \\
625     \hline
626     Precision
627     & \np{E-5}  & \np{E-8}  & \np{E-9}  & \np{E-11} & \np{E-11} \\
628     \hline
629     Relative gain
630     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 \\
631     \hline
632   \end{mytable}
633
634   \smallskip
635
636   \begin{mytable}{6}
637     \hline
638     bandwidth (Mbit/s)
639     & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
640     \hline
641     latency (ms)
642     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
643     \hline
644     power (GFlops)
645     & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
646     \hline
647     size (N)
648     & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
649     \hline
650     Precision
651     & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11} & \np{E-11}\\
652     \hline
653     Relative gain
654     & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
655     \hline
656   \end{mytable}
657 \end{table}
658
659 \section{Conclusion}
660 CONCLUSION
661
662
663 \section*{Acknowledgment}
664
665
666 The authors would like to thank\dots{}
667
668
669 \bibliographystyle{wileyj}
670 \bibliography{biblio}
671
672 \end{document}
673
674 %%% Local Variables:
675 %%% mode: latex
676 %%% TeX-master: t
677 %%% fill-column: 80
678 %%% ispell-local-dictionary: "american"
679 %%% End: