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