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[rce2015.git] / paper.tex
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73
74
75 \begin{document}
76 \title{Grid-enabled simulation of large-scale linear iterative solvers}
77 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
78
79 \author{Charles Emile Ramamonjisoa\affil{1},
80     David Laiymani\affil{1},
81     Arnaud Giersch\affil{1},
82     Lilia Ziane Khodja\affil{2} and
83     Raphaël Couturier\affil{1}
84 }
85
86 \address{
87   \affilnum{1}%
88   Femto-ST Institute, DISC Department,
89   University of Franche-Comté,
90   Belfort, France.
91   Email:~\email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}\break
92   \affilnum{2}
93   Department of Aerospace \& Mechanical Engineering,
94   Non Linear Computational Mechanics,
95   University of Liege, Liege, Belgium.
96   Email:~\email{l.zianekhodja@ulg.ac.be}
97 }
98
99 \begin{abstract} %% The behavior of multi-core applications is always a challenge
100 %% to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been
101 %% performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build
102 %% accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation
103 %% tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
104 %% bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
105 %% applications. The main contribution of this paper is to show that the use of a
106 %% simulation tool (here we have decided to use the SimGrid toolkit) can really
107 %% help developers to better tune their applications for a given multi-core
108 %% architecture.
109
110 %% In this paper we focus our attention on the simulation of iterative algorithms to solve sparse linear systems on large clusters. We study the behavior of the widely used GMRES algorithm and two different variants of the Multisplitting algorithms: one using synchronous iterations and another one with asynchronous iterations.  
111 %% For each algorithm we have simulated
112 %% different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
113 %% execution time. 
114 %% The simulations confirm the real results previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm the efficiency of the asynchronous Multisplitting algorithm on distant clusters compared to the synchronous GMRES algorithm.
115
116 The behavior of multi-core 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. 
117
118 In this paper we focus on the simulation of iterative algorithms to solve sparse linear systems. We study the behavior of the GMRES algorithm and two different variants of the multisplitting algorithms: using synchronous or asynchronous iterations. For each algorithm we have simulated different architecture parameters to evaluate their influence on the overall execution time. The simulations confirm the real results previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm the efficiency of the asynchronous multisplitting algorithm on distant clusters compared to the GMRES algorithm.
119
120 \end{abstract}
121
122 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
123 %performance}
124 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
125
126 \maketitle
127
128 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
129 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
130 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
131 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
132 complex parallel applications operating on a large amount of data.
133 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
134 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
135 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
136 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
137 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
138 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
139 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
140 code debugging, ability to obtain results quickly\dots{} In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
141
142 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
143 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
144 simple. It generally involves the division of the problem into  several
145 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
146 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
147 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
148 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
149 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
150 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
151 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a
152 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
153 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
154 neighbors. Both communications and computations are \textit{asynchronous}
155 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
156 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
157 that we detail in Section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of
158 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
159 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
160 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
161 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
162
163 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
164 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
165 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
166 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
167 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
168 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
169 parameter variation of the execution platform and of the application data can
170 lead to very different numbers of iterations to reach the convergence and so to
171 very different execution times. In this challenging context we think that the
172 use of a simulation tool can greatly leverage the possibility of testing various
173 platform scenarios.
174
175 The  {\bf main  contribution  of  this paper}  is  to show  that  the  use of  a
176 simulation tool (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real
177 parallel applications (i.e. large linear  system solvers) can help developers to
178 better tune their  applications for a given multi-core architecture.  To show the
179 validity of this approach we first compare the simulated execution of the Krylov
180 multisplitting  algorithm   with  the   GMRES  (Generalized   Minimal  RESidual)
181 solver~\cite{saad86} in  synchronous mode.  The simulation  results allow  us to
182 determine  which method  to choose  for a given multi-core  architecture.
183 Moreover the  obtained results  on different simulated  multi-core architectures
184 confirm the  real results  previously obtained  on non  simulated architectures.
185 More precisely the simulated results are in accordance (i.e. with the same order
186 of magnitude)  with the works  presented in~\cite{couturier15}, which  show that
187 the synchronous  Krylov multisplitting method  is more efficient  than GMRES  for large
188 scale  clusters.   Simulated   results  also  confirm  the   efficiency  of  the
189 asynchronous  multisplitting   algorithm  compared  to  the   synchronous  GMRES
190 especially in case of geographically distant clusters.
191
192 In this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
193 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
194 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
195 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
196 asynchronous iterative application.
197
198 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
199 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
200 Section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
201 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
202 experimental results are presented in Section~\ref{sec:expe} followed by some
203 concluding remarks and perspectives.
204
205
206 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
207 \label{sec:asynchro}
208
209 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoretically and
210 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
211 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
212 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
213 asynchronous iteration  methods can be used  to solve, for example,  linear and
214 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
215 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
216
217 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
218 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
219 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
220 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
221 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
222 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
223 one, they are not.  It should be noticed that non-blocking communications can be
224 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
225 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
226 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
227 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
228 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
229
230 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
231 for the asynchronous scheme (this number depends on  the delay of the
232 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
233 number of iterations is the same than in the sequential mode. In this way, the
234 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
235 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency,~\ldots) and  of  the
236 application can drastically change the number of iterations required to get the
237 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
238 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
239 architectures are often very important. So, prior to deployment and tests it
240 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
241 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produced
242 by simulation are in accordance with reality i.e. of the same order of
243 magnitude. To our knowledge, there is no study on this problematic.
244
245 \section{SimGrid}
246 \label{sec:simgrid}
247 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.
248
249 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
250 % SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}
251 % is a simulation framework to study the behavior of large-scale distributed
252 % systems.  As its name suggests, it emanates from the grid computing community,
253 % but is nowadays used to study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The
254 % early versions of SimGrid date back from 1999, but it is still actively
255 % developed and distributed as an open source software.  Today, it is one of the
256 % major generic tools in the field of simulation for large-scale distributed
257 % systems.
258
259 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
260 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
261 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
262 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
263 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work described in
264 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
265 standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
266 applications written in C or Fortran, with little or no modifications (cf Section IV - paragraph B).
267
268 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
269 single process.  The application code is really executed, but some operations,
270 like communications, are intercepted, and their running time is computed
271 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
272 description of this target platform is given as an input for the execution, by
273 means of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
274 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
275 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
276 simulated processes, as well as the simulated running time of the application
277 are computed according to these properties.
278
279 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
280 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
281 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows users to run relatively fast
282 simulations, while still keeping accurate
283 results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
284   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
285 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
286 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
287 skipped, but the results are unimportant for the simulation results, it is
288 also possible to share dynamically allocated data structures between
289 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
290 These two techniques can help to run simulations on a very large scale.
291
292 The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
293 See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
294 referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
295 real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
296 SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
297   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
298   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
299 SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
300 applications.
301 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
302
303 \section{Two-stage multisplitting methods}
304 \label{sec:04}
305 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
306 \label{sec:04.01}
307 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 $\mathbb{R}$:
308 \begin{equation}
309 Ax=b,
310 \label{eq:01}
311 \end{equation}
312 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:
313 \begin{equation}
314 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
315 \label{eq:02}
316 \end{equation}
317 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:
318 \begin{equation}
319 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
320 \label{eq:03}
321 \end{equation}
322 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~\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}.
323
324 \begin{figure}[t]
325 %\begin{algorithm}[t]
326 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
327 \begin{algorithmic}[1]
328   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
329   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
330   \State Set the initial guess $x^0$
331   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
332     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
333     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
334     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
335     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
336   \EndFor
337 \end{algorithmic}
338 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
339 \label{alg:01}
340 %\end{algorithm}
341 \end{figure}
342
343 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:
344 \begin{equation}
345 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
346 \label{eq:04}
347 \end{equation}
348 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
349
350 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:
351 \begin{equation}
352 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
353 \label{eq:05}
354 \end{equation}
355 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
356 \begin{equation}
357 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
358 \label{eq:06}
359 \end{equation}
360 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}).
361
362 \begin{figure}[t]
363 %\begin{algorithm}[t]
364 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
365 \begin{algorithmic}[1]
366   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
367   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
368   \State Set the initial guess $x^0$
369   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
370     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
371     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
372     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
373     \If{$k\mod s = 0$}
374        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
375        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
376        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
377        \Else
378          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
379     \EndIf
380     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
381   \EndFor
382 \end{algorithmic}
383 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
384 \label{alg:02}
385 %\end{algorithm}
386 \end{figure}
387
388 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
389 \label{sec:04.02}
390
391 One of our objectives when simulating the  application in SimGrid is, as in real
392 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
393 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
394 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the SimGrid
395 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
396 libraries  and related  header files  (\verb+smpi.h+).  The  second modification  is to
397 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
398 SimGrid selector       called      "runtime       automatic      switching"
399 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
400 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
401 SimGrid  to simulate the  grid environment.
402
403 \paragraph{Parameters of the simulation in SimGrid}
404 \  \\ \noindent  Before running  a SimGrid  benchmark, many  parameters for  the
405 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
406 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
407 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
408
409 \begin{itemize}
410         \item hostfile: hosts description file.
411         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
412 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth $bw$,
413 latency $lat$, \dots{}).
414         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
415 nodes/processors in each cluster).
416 \end{itemize}
417 \noindent
418 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
419
420 \begin{itemize}
421         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
422         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
423         \item matrix sizes of the problem: N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$ on axis $x$, $y$ and $z$ respectively (in our experiments, we solve 3D problem, see Section~\ref{3dpoisson}),
424         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous experiments and $6.2$ for asynchronous ones,
425         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
426         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
427         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
428         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
429         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
430         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
431 \end{itemize}
432
433 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.
434
435 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
436 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
437
438 \section{Experimental results}
439 \label{sec:expe}
440
441 In this section, experiments for both multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
442
443 \subsection{The 3D Poisson problem}
444 \label{3dpoisson}
445
446
447 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:
448 \begin{equation}
449 \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
450 \label{eq:07}
451 \end{equation}
452 such that:
453 \begin{equation*}
454 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
455 \end{equation*}
456 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:
457 \begin{equation}
458 \begin{array}{ll}
459 \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))
460 \end{array}
461 \label{eq:08}
462 \end{equation}
463 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
464
465 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.
466
467 \subsection{Study setup and simulation methodology}
468
469 First, to conduct our study, we propose the following methodology
470 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
471
472 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
473 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
474 have been chosen for the study in this paper. \\
475
476 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
477 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
478 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the multisplitting
479 method. In addition, the SimGrid simulator has been chosen to simulate the
480 behaviors of the distributed applications. SimGrid is running in a virtual
481 machine on a simple laptop. \\
482
483 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
484 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
485 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
486 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
487
488 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
489 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architectures
490 have been configured in SimGrid : 2$\times$16, 4$\times$8, 4$\times$16, 8$\times$8 and 2$\times$50. The first number
491 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
492 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network has been
493 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
494 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
495 (resp.  inter-clusters backbone links).  \\
496
497 \LZK{Il me semble que le bw et lat des deux réseaux varient dans les expés d'une simu à l'autre. On vire la dernière phrase?}
498
499 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
500 within these configurations by varying the key parameters, especially
501 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
502 input data.  \\
503
504 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
505
506 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in a grid environment}
507
508 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
509 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
510 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
511 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
512 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
513 increase.
514
515 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
516 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
517 the program output results:
518 \begin{enumerate}
519 \item  the network  bandwidth  ($bw$ in bits/s) also  known  as "the  data-carrying
520     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
521     from one point to another in a unit of time.
522 \item the  network latency  ($lat$ in microseconds) defined as  the delay  from the
523   start time to send  a simple data from a source to a destination.
524 \end{enumerate}
525 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
526 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
527
528  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
529  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and
530  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
531  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.
532  The intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a
533  high bandwidth and very low latency. In opposite, the inter-network connects
534  clusters sometime via  heterogeneous networks components  through internet with
535  a lower speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck
536  for  the global performance of the application.
537
538 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov two-stage algorithms in synchronous mode}
539
540 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
541 two-stage method has  better  performance  than   the  classical  GMRES method. With a synchronous  iterative method, better performance means a
542 smaller number of iterations and execution time before reaching the convergence.
543 For a systematic study,  the experiments  should figure  out  that, for  various
544 grid  parameters values, the simulator will confirm  the targeted outcomes,
545 particularly for poor and slow  networks, focusing on the  impact on the
546 communication  performance on the chosen class of algorithm.
547 \LZK{Pas du tout claire la dernière phrase (For a systematic...)!!}
548
549 In what follows, we will present the test conditions, the output results and our comments.\\
550
551 %\subsubsection{Execution of the algorithms on various computational grid architectures and scaling up the input matrix size}
552 \subsubsection{Simulations for various grid architectures and scaling-up matrix sizes}
553 \ \\
554 % environment
555
556 \begin{table} [ht!]
557 \begin{center}
558 \begin{tabular}{ll }
559  \hline
560  Grid architecture & 2$\times$16, 4$\times$8, 4$\times$16 and 8$\times$8\\ %\hline
561  Network           & N1 : $bw$=1Gbits/s, $lat$=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
562  \multirow{2}{*}{Matrix size}  & N$_{x}$ $\times$ N$_{y}$ $\times$ N$_{z}$ =150 $\times$ 150 $\times$ 150\\ %\hline
563   &  N$_{x}$ $\times$ N$_{y}$ $\times$ N$_{z}$  =170 $\times$ 170 $\times$ 170    \\ \hline
564  \end{tabular}
565 \caption{Test conditions: various grid configurations with the matrix sizes 150$^3$ or 170$^3$}
566 \LZK{Ce sont les caractéristiques du réseau intra ou inter clusters? Ce n'est pas précisé...}
567 \label{tab:01}
568 \end{center}
569 \end{table}
570
571 In this section, we analyze the simulations conducted on various grid configurations presented in Table~\ref{tab:01}. Figure~\ref{fig:01} shows, for all grid configurations and a given matrix size, a non-variation in the number of iterations for the classical GMRES algorithm, which is not the case of the Krylov two-stage algorithm.
572 %% First,  the results in  Figure~\ref{fig:01}
573 %% show for all grid configurations the non-variation of the number of iterations of
574 %% classical  GMRES for  a given  input matrix  size; it is not  the case  for the
575 %% multisplitting method.
576 \RC{CE attention tu n'as pas mis de label dans tes figures, donc c'est le bordel, j'en mets mais vérifie...}
577 \RC{Les légendes ne sont pas explicites...}
578
579 \begin{figure} [ht!]
580   \begin{center}
581     \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
582   \end{center}
583   \caption{Various grid configurations with the matrix sizes 150$^3$ and 170$^3$
584 \AG{Utiliser le point comme séparateur décimal et non la virgule.  Idem dans les autres figures.}}
585 \LZK{Pour quelle taille du problème sont calculés les nombres d'itérations? Que représente le 2 Clusters x 16 Nodes with Nx=150 and Nx=170 en haut de la figure?}
586   \label{fig:01}
587 \end{figure}
588
589 The execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
590 grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2x16
591 and  4x8). We  can  observe  the low  sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
592 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
593 in the  grid: in  average, the GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm performs
594 $40\%$ better (resp. $48\%$) when running from 2x16=32 to 8x8=64 processors. 
595 \RC{pas très clair, c'est pas précis de dire qu'un algo perform mieux qu'un autre, selon quel critère?}
596 \LZK{A revoir toute cette analyse... Le multi est plus performant que GMRES. Les temps d'exécution de multi sont sensibles au nombre de CLUSTERS. Il est moins performant pour un nombre grand de cluster. Avez vous d'autres remarques?}
597
598 \subsubsection{Simulations for two different inter-clusters network speeds \\}
599
600 \begin{table} [ht!]
601 \begin{center}
602 \begin{tabular}{ll}
603  \hline
604  Grid architecture        & 2$\times$16, 4$\times$8\\ %\hline
605  \multirow{2}{*}{Network} & N1: $bw$=1Gbs, $lat$=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
606                           & N2: $bw$=10Gbs, $lat$=8.10$^{-6}$ \\
607  Matrix size              & $N_{x} \times N_{y} \times N_{z} =150 \times 150 \times 150$\\ \hline
608  \end{tabular}
609 \caption{Test conditions: grid configurations 2$\times$16 and 4$\times$8 with networks N1 vs. N2}
610 \label{tab:02}
611 \end{center}
612 \end{table}
613
614 These experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running first  on a
615 slow inter-cluster  network (N1) and  also on  a more performant  network (N2). \RC{Il faut définir cela avant...}
616 Figure~\ref{fig:02} shows that end users will reduce the execution time
617 for  both  algorithms when using  a  grid  architecture  like  4x16 or  8x8: the reduction is about $2$. The results depict  also that when
618 the  network speed  drops down (variation of 12.5\%), the  difference between  the two Multisplitting algorithms execution times can reach more than 25\%.
619
620
621
622 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
623 \begin{figure} [ht!]
624 \centering
625 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
626 \caption{Grid 2x16 and 4x8 with networks N1 vs N2
627 \AG{\np{8E-6}, \np{5E-6} au lieu de 8E-6, 5E-6}}
628 \label{fig:02}
629 \end{figure}
630 %\end{wrapfigure}
631
632
633 \subsubsection{Network latency impacts on performance}
634 \ \\
635 \begin{table} [ht!]
636 \centering
637 \begin{tabular}{r c }
638  \hline
639  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
640  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
641  Input matrix size & $N_{x} \times N_{y} \times N_{z} = 150 \times 150 \times 150$\\ \hline
642  \end{tabular}
643 \caption{Test conditions: network latency impacts}
644 \label{tab:03}
645 \end{table}
646
647
648
649 \begin{figure} [ht!]
650 \centering
651 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
652 \caption{Network latency impacts on execution time
653 \AG{\np{E-6}}}
654 \label{fig:03}
655 \end{figure}
656
657
658 According to  the results of  Figure~\ref{fig:03}, a degradation of  the network
659 latency from  $8.10^{-6}$ to  $6.10^{-5}$ implies an  absolute time  increase of
660 more  than $75\%$  (resp.  $82\%$)  of the  execution  for  the classical  GMRES
661 (resp.  Krylov multisplitting)  algorithm.   In addition,  it  appears that  the
662 Krylov multisplitting method tolerates more the network latency variation with a
663 less  rate increase  of  the  execution time.\RC{Les  2  précédentes phrases  me
664   semblent en contradiction....}  Consequently, in the worst case ($lat=6.10^{-5
665 }$), the  execution time for  GMRES is  almost the double  than the time  of the
666 Krylov multisplitting,  even though, the  performance was  on the same  order of
667 magnitude with a latency of $8.10^{-6}$.
668
669 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
670 \ \\
671 \begin{table} [ht!]
672 \centering
673 \begin{tabular}{r c }
674  \hline
675  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
676  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
677  Input matrix size & $N_{x} \times N_{y} \times N_{z} =150 \times 150 \times 150$\\ \hline \\
678  \end{tabular}
679 \caption{Test conditions: Network bandwidth impacts\RC{Qu'est ce qui varie ici? Il n'y a pas de variation dans le tableau}}
680 \label{tab:04}
681 \end{table}
682
683
684 \begin{figure} [ht!]
685 \centering
686 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
687 \caption{Network bandwith impacts on execution time
688 \AG{``Execution time'' avec un 't' minuscule}. Idem autres figures.}
689 \label{fig:04}
690 \end{figure}
691
692 The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
693 performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
694 Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
695 presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
696 of $40\%$ which is only around $24\%$ for the classical GMRES.
697
698 \subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
699 \ \\
700 \begin{table} [ht!]
701 \centering
702 \begin{tabular}{r c }
703  \hline
704  Grid Architecture & 4x8\\ %\hline
705  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\
706  Input matrix size & $N_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
707  \end{tabular}
708 \caption{Test conditions: Input matrix size impacts}
709 \label{tab:05}
710 \end{table}
711
712
713 \begin{figure} [ht!]
714 \centering
715 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
716 \caption{Problem size impacts on execution time}
717 \label{fig:05}
718 \end{figure}
719
720 In these experiments, the input matrix size  has been set from $N_{x} = N_{y}
721 = N_{z} = 40$ to $200$ side elements  that is from $40^{3} = 64.000$ to $200^{3}
722 = 8,000,000$  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
723 time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
724 But the interesting results are:
725 \begin{enumerate}
726   \item the drastic increase ($10$ times)  of the number of iterations needed to
727     reach the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
728     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}
729 \item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for $N_{x}=140$
730   compared with the Krylov multisplitting method.
731 \end{enumerate}
732
733 These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
734 targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
735 size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
736 grid 2x16 leading to the same conclusion.
737
738 \subsubsection{CPU Power impacts on performance}
739
740 \begin{table} [ht!]
741 \centering
742 \begin{tabular}{r c }
743  \hline
744  Grid architecture & 2x16\\ %\hline
745  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
746  Input matrix size & $N_{x} = 150 \times 150 \times 150$\\ \hline
747  \end{tabular}
748 \caption{Test conditions: CPU Power impacts}
749 \label{tab:06}
750 \end{table}
751
752 \begin{figure} [ht!]
753 \centering
754 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
755 \caption{CPU Power impacts on execution time}
756 \label{fig:06}
757 \end{figure}
758
759 Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
760 on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
761 from $1$ to $19$ GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
762 performance gain,  around $95\%$ for  both of the  two methods, after  adding more
763 powerful CPU.
764 \ \\
765 %\DL{il faut une conclusion sur ces tests : ils confirment les résultats déjà
766 %obtenus en grandeur réelle. Donc c'est une aide précieuse pour les dev. Pas
767 %besoin de déployer sur une archi réelle}
768
769 To conclude these series of experiments, with  SimGrid we have been able to make
770 many simulations  with many parameters  variations. Doing all  these experiments
771 with a real platform is most of  the time not possible. Moreover the behavior of
772 both GMRES and  Krylov multisplitting methods is in accordance  with larger real
773 executions on large scale supercomputer~\cite{couturier15}.
774
775
776 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
777
778 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
779 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
780 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
781 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
782 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
783
784 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
785 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
786 In  this case,  each  processor can  compute its  iteration  freely without  any
787 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
788 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
789 performance.
790
791 \RC{la phrase suivante est bizarre, je ne comprends pas pourquoi elle vient ici}
792 In this section, Simgrid simulator tool has been successfully used to show
793 the efficiency of  the multisplitting in asynchronous mode and  to find the best
794 combination of the grid resources (CPU,  Network, input matrix size, \ldots ) to
795 get    the   highest    \textit{"relative    gain"}   (exec\_time$_{GMRES}$    /
796 exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
797
798
799 The test conditions are summarized in the table~\ref{tab:07}: \\
800
801 \begin{table} [ht!]
802 \centering
803 \begin{tabular}{r c }
804  \hline
805  Grid Architecture & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
806  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
807    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
808    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
809  Input matrix size & $N_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
810  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
811  \end{tabular}
812 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs Krylov Multisplitting in asynchronous mode}
813 \label{tab:07}
814 \end{table}
815
816 Again,  comprehensive and  extensive tests  have been  conducted with  different
817 parameters as  the CPU power, the  network parameters (bandwidth and  latency)
818 and with different problem size. The  relative gains greater than $1$  between the
819 two algorithms have  been captured after  each step  of the test.   In
820 Table~\ref{tab:08}  are  reported the  best  grid  configurations allowing
821 the  multisplitting method to  be more than  $2.5$ times faster  than the
822 classical  GMRES.  These  experiments also  show the  relative tolerance  of the
823 multisplitting algorithm when using a low speed network as usually observed with
824 geographically distant clusters through the internet.
825
826 % use the same column width for the following three tables
827 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
828 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
829   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
830   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
831                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
832     \end{tabular}}
833
834
835 \begin{table}[!t]
836 \centering
837 %\begin{table}
838 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
839 %  \label{"Table 7"}
840  \begin{mytable}{11}
841     \hline
842     bandwidth (Mbit/s)
843     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
844     \hline
845     latency (ms)
846     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
847     \hline
848     power (GFlops)
849     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
850     \hline
851     size (N)
852     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
853     \hline
854     Precision
855     & \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}\\
856     \hline
857     Relative gain
858     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
859     \hline
860   \end{mytable}
861 %\end{table}
862  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
863  \label{tab:08}
864 \end{table}
865
866
867 \section{Conclusion}
868
869 In this paper we have presented the simulation of the execution of three
870 different parallel solvers on some multi-core architectures. We have show that
871 the SimGrid toolkit is an interesting simulation tool that has allowed us to
872 determine  which method  to choose  given a  specified multi-core  architecture.
873 Moreover the simulated results are in accordance (i.e. with the same order of
874 magnitude)  with the works  presented in~\cite{couturier15}. Simulated   results
875 also  confirm  the   efficiency  of  the asynchronous  multisplitting
876 algorithm  compared  to  the   synchronous  GMRES especially in case of
877 geographically distant clusters.
878
879 These results are important since it is very  time consuming to find optimal
880 configuration  and deployment requirements for a given application  on   a given
881 multi-core  architecture. Finding   good  resource allocations policies under
882 varying CPU power, network speeds and  loads is very challenging and  labor
883 intensive. This problematic is  even more difficult  for the  asynchronous
884 scheme where  a small parameter variation of the execution platform and of the
885 application data can lead to very different numbers of iterations to reach the
886 converge and so to very different execution times.
887
888
889 In future works, we  plan to investigate how to simulate  the behavior of really
890 large scale  applications. For  example, if  we are  interested to  simulate the
891 execution of the solvers of this paper with thousand or even dozens of thousands
892 or core,  it is not possible  to do that with  SimGrid. In fact, this  tool will
893 make the real computation. So we plan to focus our research on that problematic.
894
895
896
897 %\section*{Acknowledgment}
898 \ack
899 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
900
901 \bibliographystyle{wileyj}
902 \bibliography{biblio}
903
904
905 \end{document}
906
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