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[rce2015.git] / paper.tex
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8 %T\kern-.1667em\lower.7ex\hbox{E}\kern-.125emX}}
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10 \def\volumeyear{2015}
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24 % Extension pour les liens intra-documents (tagged PDF)
25 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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70
71
72
73 \begin{document} \RCE{Titre a confirmer.} \title{Comparative performance
74 analysis of simulated grid-enabled numerical iterative algorithms}
75 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
76
77 \author{Charles Emile Ramamonjisoa\affil{1},
78     David Laiymani\affil{1},
79     Arnaud Giersch\affil{1},
80     Lilia Ziane Khodja\affil{2} and
81     Raphaël Couturier\affil{1}
82 }
83
84 \address{
85   \affilnum{1}%
86   Femto-ST Institute, DISC Department,
87   University of Franche-Comté,
88   Belfort, France.
89   Email:~\email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}\break
90   \affilnum{2}
91   Department of Aerospace \& Mechanical Engineering,
92   Non Linear Computational Mechanics,
93   University of Liege, Liege, Belgium.
94   Email:~\email{l.zianekhodja@ulg.ac.be}
95 }
96
97 \begin{abstract}   The behavior of multi-core applications is always a challenge
98 to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been
99 performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build
100 accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation
101 tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
102 bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
103 applications. The main contribution of this paper is to show that the use of a
104 simulation tool (here we have decided to use the SimGrid toolkit) can really
105 help developpers to better tune their applications for a given multi-core
106 architecture.
107
108 In particular we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
109 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
110 These algorithms  are used to  solve linear  systems. Two different  variants of
111 the Multisplitting are studied: one  using synchronoous  iterations and  another
112 one  with asynchronous iterations. For each algorithm we have simulated
113 different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
114 execution time.  The obtain simulated results confirm the real results
115 previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm
116 the efficiency of the asynchronous multisplitting algorithm compared to the
117 synchronous GMRES method.
118
119 \end{abstract}
120
121 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
122 %performance}
123 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
124
125 \maketitle
126
127 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
128 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
129 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
130 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
131 complex parallel applications operating on a large amount of data.
132 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
133 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
134 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
135 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
136 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
137 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
138 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
139 code debugging, ability to obtain results quickly\dots{} In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
140
141 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
142 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
143 simple. It generally involves the division of the problem into  several
144 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
145 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
146 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
147 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
148 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
149 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
150 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a
151 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
152 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
153 neighbors. Both communication and computations are \textit{asynchronous}
154 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
155 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
156 that we detail in section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of
157 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
158 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
159 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
160 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
161
162 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
163 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
164 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
165 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
166 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
167 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
168 parameter variation of the execution platform can lead to very different numbers
169 of iterations to reach the converge and so to very different execution times. In
170 this challenging context we think that the  use of a simulation tool can greatly
171 leverage the possibility of testing various platform scenarios.
172
173 The main contribution of this paper is to show that the use of a simulation tool
174 (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real  parallel
175 applications (i.e. large linear system solvers) can help developers to better
176 tune their application for a given multi-core architecture. To show the validity
177 of this approach we first compare the simulated execution of the multisplitting
178 algorithm  with  the  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual)
179 solver~\cite{saad86} in synchronous mode. 
180
181 \LZK{Pas trop convainquant comme argument pour valider l'approche de simulation. \\On peut dire par exemple: on a pu simuler différents algos itératifs à large échelle (le plus connu GMRES et deux variantes de multisplitting) et la simulation nous a permis (sans avoir le vrai matériel) de déterminer quelle serait la meilleure solution pour une telle configuration de l'archi ou vice versa.\\A revoir...}
182
183 The obtained results on different
184 simulated multi-core architectures confirm the real results previously obtained
185 on non simulated architectures.  
186
187 \LZK{Il n y a pas dans la partie expé cette comparaison et confirmation des résultats entre la simulation et l'exécution réelle des algos sur les vrais clusters.\\ Sinon on pourrait ajouter dans la partie expé une référence vers le journal supercomput de krylov multi pour confirmer que cette méthode est meilleure que GMRES sur les clusters large échelle.}
188
189 We also confirm  the efficiency  of the
190 asynchronous  multisplitting algorithm  compared to the synchronous  GMRES. 
191
192 \LZK{P.S.: Pour tout le papier, le principal objectif n'est pas de faire des comparaisons entre des méthodes itératives!!\\Sinon, les deux algorithmes Krylov multisplitting synchrone et multisplitting asynchrone sont plus efficaces que GMRES sur des clusters à large échelle.\\Et préciser, si c'est vraiment le cas, que le multisplitting asynchrone est plus efficace et adapté aux clusters distants par rapport aux deux autres algos (je n'ai pas encore lu la partie expé)}
193
194 In
195 this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
196 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
197 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
198 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
199 asynchronous iterative application.
200
201 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
202 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
203 section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
204 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
205 experimental results are presented in section~\ref{sec:expe} followed by some
206 concluding remarks and perspectives.
207
208 \LZK{Proposition d'un titre pour le papier: Grid-enabled simulation of large-scale linear iterative solvers.}
209
210
211 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
212 \label{sec:asynchro}
213
214 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoritecally and
215 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
216 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
217 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
218 asynchronous iterations  methods can be used  to solve, for example,  linear and
219 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
220 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
221
222 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
223 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
224 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
225 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
226 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
227 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
228 one, they are not.  It should be noticed that non blocking communications can be
229 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
230 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
231 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
232 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
233 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
234
235 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
236 for the asynchronous scheme (this number depends depends on  the delay of the
237 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
238 number of iterations is the same than in the sequential mode. In this way, the
239 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
240 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency, \ldots) and  of  the
241 application can drastically change the number of iterations required to get the
242 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
243 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
244 architecture are often very important. So, prior to delpoyment and tests it
245 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
246 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produce
247 by simulation are in accordance with reality i.e. of the same order of
248 magnitude. To our knowledge, there is no study on this problematic.
249
250 \section{SimGrid}
251 \label{sec:simgrid}
252 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile} is a discrete event simulation framework to study the behavior of large-scale distributed computing platforms as Grids, Peer-to-Peer systems, Clouds and High Performance Computation systems. It is widely used to simulate and evaluate heuristics, prototype applications or even assess legacy MPI applications. It is still actively developed by the scientific community and distributed as an open source software.
253
254 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
255 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
256
257 \section{Two-stage multisplitting methods}
258 \label{sec:04}
259 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
260 \label{sec:04.01}
261 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 $\mathbb{R}$:
262 \begin{equation}
263 Ax=b,
264 \label{eq:01}
265 \end{equation}
266 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:
267 \begin{equation}
268 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
269 \label{eq:02}
270 \end{equation}
271 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:
272 \begin{equation}
273 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
274 \label{eq:03}
275 \end{equation}
276 where right-hand sides $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m$ are computed using the shared vectors $x_m$. In this paper, we use the well-known iterative method GMRES ({\it Generalized Minimal RESidual})~\cite{saad86} as an inner iteration to approximate the solutions of the different splittings arising from the block Jacobi multisplitting of matrix $A$. The algorithm in Figure~\ref{alg:01} shows the main key points of our block Jacobi two-stage method executed by a cluster of processors. In line~\ref{solve}, the linear sub-system~(\ref{eq:03}) is solved in parallel using GMRES method where $\MIG$ and $\TOLG$ are the maximum number of inner iterations and the tolerance threshold for GMRES respectively. The convergence of the two-stage multisplitting methods, based on synchronous or asynchronous iterations, has been studied by many authors for example~\cite{Bru95,bahi07}.
277
278 \begin{figure}[t]
279 %\begin{algorithm}[t]
280 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
281 \begin{algorithmic}[1]
282   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
283   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
284   \State Set the initial guess $x^0$
285   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
286     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
287     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
288     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
289     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
290   \EndFor
291 \end{algorithmic}
292 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
293 \label{alg:01}
294 %\end{algorithm}
295 \end{figure}
296
297 In this paper, we propose two algorithms of two-stage multisplitting methods. The first algorithm is based on the asynchronous model which allows communications to be overlapped by computations and reduces the idle times resulting from the synchronizations. So in the asynchronous mode, our two-stage algorithm uses asynchronous outer iterations and asynchronous communications between clusters. The communications (i.e. lines~\ref{send} and~\ref{recv} in Figure~\ref{alg:01}) are performed by message passing using MPI non-blocking communication routines. The convergence of the asynchronous iterations is detected when all clusters have locally converged:
298 \begin{equation}
299 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
300 \label{eq:04}
301 \end{equation}
302 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
303
304 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:
305 \begin{equation}
306 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
307 \label{eq:05}
308 \end{equation}
309 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
310 \begin{equation}
311 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
312 \label{eq:06}
313 \end{equation}
314 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}).
315
316 \begin{figure}[t]
317 %\begin{algorithm}[t]
318 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
319 \begin{algorithmic}[1]
320   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
321   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
322   \State Set the initial guess $x^0$
323   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
324     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
325     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
326     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
327     \If{$k\mod s = 0$}
328        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
329        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
330        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
331        \Else
332          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
333     \EndIf
334     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
335   \EndFor
336 \end{algorithmic}
337 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
338 \label{alg:02}
339 %\end{algorithm}
340 \end{figure}
341
342 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
343 \label{sec:04.02}
344
345 One of our objectives when simulating the  application in Simgrid is, as in real
346 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
347 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
348 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the Simgrid
349 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
350 libraries  and related  header files  (smpi.h).  The  second modification  is to
351 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
352 Simgrid      selector       called      "runtime       automatic      switching"
353 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
354 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
355 Simgrid  to simulate the  grid environment.
356
357 %\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
358 %last modification on the  MPI program pointed out for some  cases, the review of
359 %the sequence of  the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and  MPI\_Waitall instructions which
360 %might cause an infinite loop.
361
362
363 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
364 \  \\ \noindent  Before running  a Simgrid  benchmark, many  parameters for  the
365 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
366 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
367 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
368
369 \begin{itemize}
370         \item hostfile: hosts description file.
371         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
372 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
373 latency lat, \dots{}).
374         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
375 nodes/processors for each cluster).
376 \end{itemize}
377 \noindent
378 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
379
380 \begin{itemize}
381         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
382         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
383         \item matrix sizes of the 3D Poisson problem: N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$ on axis $x$, $y$ and $z$ respectively,
384         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous Krylov multisplitting experiments and $6.2$ for asynchronous block Jacobi experiments,
385         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
386         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
387         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
388         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
389         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
390         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
391 \end{itemize}
392
393 It should also be noticed that both solvers have been executed with the Simgrid selector \texttt{-cfg=smpi/running\_power} which determines the computational power (here 19GFlops) of the simulator host machine.
394
395 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
396 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
397
398 \section{Experimental Results}
399 \label{sec:expe}
400
401 In this section, experiments for both Multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
402
403 \subsection{The 3D Poisson problem}
404
405
406 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:
407 \begin{equation}
408 \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
409 \label{eq:07}
410 \end{equation}
411 such that:
412 \begin{equation*}
413 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
414 \end{equation*}
415 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:
416 \begin{equation}
417 \begin{array}{ll}
418 \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))
419 \end{array}
420 \label{eq:08}
421 \end{equation}
422 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
423
424 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.
425
426 \subsection{Study setup and simulation methodology}
427
428 First, to conduct our study, we propose the following methodology
429 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
430
431 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
432 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
433 have been chosen for the study in this paper. \\
434
435 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
436 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
437 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the Multisplitting
438 method. In addition, the Simgrid simulator has been chosen to simulate the
439 behaviors of the distributed applications. Simgrid is running in a virtual
440 machine on a simple laptop. \\
441
442 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
443 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
444 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
445 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
446
447 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
448 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architecture
449 has been configured in Simgrid : 2x16, 4x8, 4x16, 8x8 and 2x50. The first number
450 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
451 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network  has been
452 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
453 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
454 (resp.  inter-clusters backbone links). \\
455
456 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
457 within these configurations by varying the key parameters, especially
458 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
459 input data.  \\
460
461 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
462
463 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
464 a grid environment}
465
466 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
467 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
468 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
469 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
470 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
471 increase.
472
473 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
474 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
475 the program output results:
476 \begin{enumerate}
477 \item  the network  bandwidth  (bw=bits/s) also  known  as "the  data-carrying
478     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
479     from one point to another in a unit of time.
480 \item the  network latency  (lat :  microsecond) defined as  the delay  from the
481   start time to send  a simple data from a source to a destination.
482 \end{enumerate}
483 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
484 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
485
486  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
487  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and
488  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
489  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.
490  The intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a
491  high bandwith and very low latency. In opposite, the inter-network connects
492  clusters sometime via  heterogeneous networks components  throuth internet with
493  a lower speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck
494  for  the global performance of the application.
495
496 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov Multisplitting algorithms in synchronous mode}
497
498 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
499 Multisplitting  method   has  better  performance  than   the  classical  GMRES
500 method. With a synchronous  iterative method, better performance means a
501 smaller number of iterations and execution time before reaching the convergence.
502 For a systematic study,  the experiments  should figure  out  that, for  various
503 grid  parameters values, the simulator will confirm  the targeted outcomes,
504 particularly for poor and slow  networks, focusing on the  impact on the
505 communication  performance on the chosen class of algorithm.
506
507 The following paragraphs present the test conditions, the output results
508 and our comments.\\
509
510
511 \subsubsection{Execution of the algorithms on various computational grid
512 architectures and scaling up the input matrix size}
513 \ \\
514 % environment
515
516 \begin{table} [ht!]
517 \begin{center}
518 \begin{tabular}{r c }
519  \hline
520  Grid Architecture & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
521  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
522  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
523  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
524  \end{tabular}
525 \caption{Test conditions: various grid configurations with the input matix size N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \RC{N2 n'est pas défini..}\RC{Nx est défini, Ny? Nz?}
526 \AG{La lettre 'x' n'est pas le symbole de la multiplication. Utiliser \texttt{\textbackslash times}.  Idem dans le texte, les figures, etc.}}
527 \label{tab:01}
528 \end{center}
529 \end{table}
530
531
532
533
534
535 In this  section, we analyze the  performance of algorithms running  on various
536 grid configurations  (2x16, 4x8, 4x16  and 8x8). First,  the results in  Figure~\ref{fig:01}
537 show for all grid configurations the non-variation of the number of iterations of
538 classical  GMRES for  a given  input matrix  size; it is not  the case  for the
539 multisplitting method.
540
541 \RC{CE attention tu n'as pas mis de label dans tes figures, donc c'est le bordel, j'en mets mais vérifie...}
542 \RC{Les légendes ne sont pas explicites...}
543
544
545 \begin{figure} [ht!]
546   \begin{center}
547     \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
548   \end{center}
549   \caption{Various grid configurations with the input matrix size N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170\RC{idem}
550 \AG{Utiliser le point comme séparateur décimal et non la virgule.  Idem dans les autres figures.}}
551   \label{fig:01}
552 \end{figure}
553
554
555 The execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
556 grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2x16
557 and  4x8). We  can  observ  the low  sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
558 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
559 in the  grid: in  average, the GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm performs
560 $40\%$ better (resp. $48\%$) when running from 2x16=32 to 8x8=64 processors. \RC{pas très clair, c'est pas précis de dire qu'un algo perform mieux qu'un autre, selon quel critère?}
561
562 \subsubsection{Running on two different inter-clusters network speeds \\}
563
564 \begin{table} [ht!]
565 \begin{center}
566 \begin{tabular}{r c }
567  \hline
568  Grid Architecture & 2x16, 4x8\\ %\hline
569  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
570  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
571  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
572  \end{tabular}
573 \caption{Test conditions: grid 2x16 and 4x8 with  networks N1 vs N2}
574 \label{tab:02}
575 \end{center}
576 \end{table}
577
578 These experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running first  on a
579 speed inter-cluster  network (N1) and  also on  a less performant  network (N2). \RC{Il faut définir cela avant...}
580 Figure~\ref{fig:02} shows that end users will reduce the execution time
581 for  both  algorithms when using  a  grid  architecture  like  4x16 or  8x8: the reduction is about $2$. The results depict  also that when
582 the  network speed  drops down (variation of 12.5\%), the  difference between  the two Multisplitting algorithms execution times can reach more than 25\%.
583 %\RC{c'est pas clair : la différence entre quoi et quoi?}
584 %\DL{pas clair}
585 %\RCE{Modifie}
586
587
588 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
589 \begin{figure} [ht!]
590 \centering
591 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
592 \caption{Grid 2x16 and 4x8 with networks N1 vs N2
593 \AG{\np{8E-6}, \np{5E-6} au lieu de 8E-6, 5E-6}}
594 \label{fig:02}
595 \end{figure}
596 %\end{wrapfigure}
597
598
599 \subsubsection{Network latency impacts on performance}
600 \ \\
601 \begin{table} [ht!]
602 \centering
603 \begin{tabular}{r c }
604  \hline
605  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
606  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
607  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
608  \end{tabular}
609 \caption{Test conditions: network latency impacts}
610 \label{tab:03}
611 \end{table}
612
613
614
615 \begin{figure} [ht!]
616 \centering
617 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
618 \caption{Network latency impacts on execution time
619 \AG{\np{E-6}}}
620 \label{fig:03}
621 \end{figure}
622
623
624 According to  the results of  Figure~\ref{fig:03}, a degradation of  the network
625 latency from  $8.10^{-6}$ to  $6.10^{-5}$ implies an  absolute time  increase of
626 more  than $75\%$  (resp.  $82\%$)  of the  execution  for  the classical  GMRES
627 (resp.  Krylov multisplitting)  algorithm.   In addition,  it  appears that  the
628 Krylov multisplitting method tolerates more the network latency variation with a
629 less  rate increase  of  the  execution time.\RC{Les  2  précédentes phrases  me
630   semblent en contradiction....}  Consequently, in the worst case ($lat=6.10^{-5
631 }$), the  execution time for  GMRES is  almost the double  than the time  of the
632 Krylov multisplitting,  even though, the  performance was  on the same  order of
633 magnitude with a latency of $8.10^{-6}$.
634
635 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
636 \ \\
637 \begin{table} [ht!]
638 \centering
639 \begin{tabular}{r c }
640  \hline
641  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
642  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
643  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
644  \end{tabular}
645 \caption{Test conditions: Network bandwidth impacts\RC{Qu'est ce qui varie ici? Il n'y a pas de variation dans le tableau}}
646 \label{tab:04}
647 \end{table}
648
649
650 \begin{figure} [ht!]
651 \centering
652 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
653 \caption{Network bandwith impacts on execution time
654 \AG{``Execution time'' avec un 't' minuscule}. Idem autres figures.}
655 \label{fig:04}
656 \end{figure}
657
658 The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
659 performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
660 Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
661 presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
662 of $40\%$ which is only around $24\%$ for the classical GMRES.
663
664 \subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
665 \ \\
666 \begin{table} [ht!]
667 \centering
668 \begin{tabular}{r c }
669  \hline
670  Grid Architecture & 4x8\\ %\hline
671  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\
672  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
673  \end{tabular}
674 \caption{Test conditions: Input matrix size impacts}
675 \label{tab:05}
676 \end{table}
677
678
679 \begin{figure} [ht!]
680 \centering
681 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
682 \caption{Problem size impacts on execution time}
683 \label{fig:05}
684 \end{figure}
685
686 In these experiments, the input matrix size  has been set from $N_{x} = N_{y}
687 = N_{z} = 40$ to $200$ side elements  that is from $40^{3} = 64.000$ to $200^{3}
688 = 8,000,000$  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
689 time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
690 But the interesting results are:
691 \begin{enumerate}
692   \item the drastic increase ($10$ times)  of the number of iterations needed to
693     reach the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
694     go beyond $N_{x}=150$; \RC{C'est toujours pas clair... ok le nommbre d'itérations est 10 fois plus long mais la suite de la phrase ne veut rien dire}
695 \item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for $N_{x}=140$
696   compared with the Krylov multisplitting method.
697 \end{enumerate}
698
699 These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
700 targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
701 size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
702 grid 2x16 leading to the same conclusion.
703
704 \subsubsection{CPU Power impacts on performance}
705
706 \begin{table} [ht!]
707 \centering
708 \begin{tabular}{r c }
709  \hline
710  Grid architecture & 2x16\\ %\hline
711  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
712  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
713  \end{tabular}
714 \caption{Test conditions: CPU Power impacts}
715 \label{tab:06}
716 \end{table}
717
718 \begin{figure} [ht!]
719 \centering
720 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
721 \caption{CPU Power impacts on execution time}
722 \label{fig:06}
723 \end{figure}
724
725 Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
726 on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
727 from $1$ to $19$ GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
728 performance gain,  around $95\%$ for  both of the  two methods, after  adding more
729 powerful CPU.
730
731 \DL{il faut une conclusion sur ces tests : ils confirment les résultats déjà
732 obtenus en grandeur réelle. Donc c'est une aide précieuse pour les dev. Pas
733 besoin de déployer sur une archi réelle}
734
735
736 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
737
738 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
739 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
740 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
741 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
742 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
743
744 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
745 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
746 In  this case,  each  processor can  compute its  iteration  freely without  any
747 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
748 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
749 performance.
750
751 \RC{la phrase suivante est bizarre, je ne comprends pas pourquoi elle vient ici}
752 In this section, Simgrid simulator tool has been successfully used to show
753 the efficiency of  the multisplitting in asynchronous mode and  to find the best
754 combination of the grid resources (CPU,  Network, input matrix size, \ldots ) to
755 get    the   highest    \textit{"relative    gain"}   (exec\_time$_{GMRES}$    /
756 exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
757
758
759 The test conditions are summarized in the table~\ref{tab:07}: \\
760
761 \begin{table} [ht!]
762 \centering
763 \begin{tabular}{r c }
764  \hline
765  Grid Architecture & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
766  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
767    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
768    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
769  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
770  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
771  \end{tabular}
772 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs Krylov Multisplitting in asynchronous mode}
773 \label{tab:07}
774 \end{table}
775
776 Again,  comprehensive and  extensive tests  have been  conducted with  different
777 parameters as  the CPU power, the  network parameters (bandwidth and  latency)
778 and with different problem size. The  relative gains greater than $1$  between the
779 two algorithms have  been captured after  each step  of the test.   In
780 Figure~\ref{fig:07}  are  reported the  best  grid  configurations allowing
781 the  multisplitting method to  be more than  $2.5$ times faster  than the
782 classical  GMRES.  These  experiments also  show the  relative tolerance  of the
783 multisplitting algorithm when using a low speed network as usually observed with
784 geographically distant clusters through the internet.
785
786 % use the same column width for the following three tables
787 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
788 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
789   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
790   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
791                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
792     \end{tabular}}
793
794
795 \begin{figure}[!t]
796 \centering
797 %\begin{table}
798 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
799 %  \label{"Table 7"}
800  \begin{mytable}{11}
801     \hline
802     bandwidth (Mbit/s)
803     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
804     \hline
805     latency (ms)
806     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
807     \hline
808     power (GFlops)
809     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
810     \hline
811     size (N)
812     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
813     \hline
814     Precision
815     & \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}\\
816     \hline
817     Relative gain
818     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
819     \hline
820   \end{mytable}
821 %\end{table}
822  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES
823 \AG{C'est un tableau, pas une figure}}
824  \label{fig:07}
825 \end{figure}
826
827
828 \section{Conclusion}
829 CONCLUSION
830
831
832 %\section*{Acknowledgment}
833 \ack
834 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
835
836 \bibliographystyle{wileyj}
837 \bibliography{biblio}
838 \AG{Des warnings bibtex à corriger (%
839   \texttt{entry type for "SimGrid" isn't style-file defined},
840   \texttt{empty booktitle in Bru95}%
841 ).}
842
843 \end{document}
844
845 %%% Local Variables:
846 %%% mode: latex
847 %%% TeX-master: t
848 %%% fill-column: 80
849 %%% ispell-local-dictionary: "american"
850 %%% End: