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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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54
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61
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69
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 theoritecally and
196 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
197 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
198 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
199 asynchronous iterations  methods can be used  to solve, for example,  linear and
200 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
201 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
202
203 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
204 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
205 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
206 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
207 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
208 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
209 one, they are not.  It should be noticed that non blocking communications can be
210 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
211 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
212 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
213 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
214 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
215
216 \section{SimGrid}
217  \label{sec:simgrid}
218
219 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
220 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
221
222 \section{Two-stage multisplitting methods}
223 \label{sec:04}
224 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
225 \label{sec:04.01}
226 In this paper we focus on two-stage multisplitting methods in their both versions (synchronous and asynchronous)~\cite{Frommer92,Szyld92,Bru95}. These iterative methods are based on multisplitting methods~\cite{O'leary85,White86,Alefeld97} and use two nested iterations: the outer iteration and the inner iteration. Let us consider the following sparse linear system of $n$ equations in $\mathbb{R}$
227 \begin{equation}
228 Ax=b,
229 \label{eq:01}
230 \end{equation}
231 where $A$ is a sparse square and nonsingular matrix, $b$ is the right-hand side and $x$ is the solution of the system. Our work in this paper is restricted to the block Jacobi splitting method. This approach of multisplitting consists in partitioning the matrix $A$ into $L$ horizontal band matrices of order $\frac{n}{L}\times n$ without overlapping (i.e. sub-vectors $\{x_\ell\}_{1\leq\ell\leq L}$ are disjoint). Two-stage multisplitting methods solve the linear system~(\ref{eq:01}) iteratively as follows
232 \begin{equation}
233 x_\ell^{k+1} = A_{\ell\ell}^{-1}(b_\ell - \displaystyle\sum^{L}_{\substack{m=1\\m\neq\ell}}{A_{\ell m}x^k_m}),\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L\mbox{~and~}k=1,2,3,\ldots
234 \label{eq:02}
235 \end{equation}
236 where $x_\ell$ are sub-vectors of the solution $x$, $b_\ell$ are the sub-vectors of the right-hand side $b$, and $A_{\ell\ell}$ and $A_{\ell m}$ are diagonal and off-diagonal blocks of matrix $A$ respectively. The iterations of these methods can naturally be computed in parallel such that each processor or cluster of processors is responsible for solving one splitting as a linear sub-system
237 \begin{equation}
238 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
239 \label{eq:03}
240 \end{equation}
241 where right-hand sides $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m$ are computed using the shared vectors $x_m$. In this paper, we use the well-known iterative method GMRES ({\it Generalized Minimal RESidual})~\cite{saad86} as an inner iteration to approximate the solutions of the different splittings arising from the block Jacobi multisplitting of matrix $A$. The algorithm in Figure~\ref{alg:01} shows the main key points of our block Jacobi two-stage method executed by a cluster of processors. In line~\ref{solve}, the linear sub-system~(\ref{eq:03}) is solved in parallel using GMRES method where $\MIG$ and $\TOLG$ are the maximum number of inner iterations and the tolerance threshold for GMRES respectively. The convergence of the two-stage multisplitting methods, based on synchronous or asynchronous iterations, is studied by many authors for example~\cite{Bru95,bahi07}.
242
243 \begin{figure}[t]
244 %\begin{algorithm}[t]
245 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
246 \begin{algorithmic}[1]
247   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
248   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
249   \State Set the initial guess $x^0$
250   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
251     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
252     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
253     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
254     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
255   \EndFor
256 \end{algorithmic}
257 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
258 \label{alg:01}
259 %\end{algorithm}
260 \end{figure}
261
262 In this paper, we propose two algorithms of two-stage multisplitting methods. The first algorithm is based on the asynchronous model which allows the communications to be overlapped by computations and reduces the idle times resulting from the synchronizations. So in the asynchronous mode, our two-stage algorithm uses asynchronous outer iterations and asynchronous communications between clusters. The communications (i.e. lines~\ref{send} and~\ref{recv} in Figure~\ref{alg:01}) are performed by message passing using MPI non-blocking communication routines. The convergence of the asynchronous iterations is detected when all clusters have locally converged
263 \begin{equation}
264 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
265 \label{eq:04}
266 \end{equation}
267 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm. 
268
269 The second two-stage algorithm is based on synchronous outer iterations. We propose to use the Krylov iteration based on residual minimization to improve the slow convergence of the multisplitting methods. In this case, a $n\times s$ matrix $S$ is set using solutions issued from the inner iteration
270 \begin{equation}
271 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
272 \label{eq:05}
273 \end{equation}
274 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual
275 \begin{equation}
276 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
277 \label{eq:06}
278 \end{equation}
279 The algorithm in Figure~\ref{alg:02} includes the procedure of the residual minimization and the outer iteration is restarted with a new approximation $\tilde{x}$ at every $s$ iterations. The least-squares problem~(\ref{eq:06}) is solved in parallel by all clusters using CGLS method~\cite{Hestenes52} such that $\MIC$ is the maximum number of iterations and $\TOLC$ is the tolerance threshold for this method (line~\ref{cgls} in Figure~\ref{alg:02}).
280
281 \begin{figure}[t]
282 %\begin{algorithm}[t]
283 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
284 \begin{algorithmic}[1]
285   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
286   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
287   \State Set the initial guess $x^0$
288   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
289     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
290     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
291     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
292     \If{$k\mod s = 0$}
293        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
294        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
295        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
296        \Else
297          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
298     \EndIf
299     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
300   \EndFor
301 \end{algorithmic}
302 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
303 \label{alg:02}
304 %\end{algorithm}
305 \end{figure}
306
307 \subsection{Simulation of two-stage methods using SimGrid framework}
308 \label{sec:04.02}
309
310 One of our objectives when simulating the  application in Simgrid is, as in real
311 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also  ensure the
312 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
313 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the Simgrid
314 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
315 libraries  and related  header files  (smpi.h).  The  second modification  is to
316 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
317 Simgrid      selector       called      "runtime       automatic      switching"
318 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
319 effects on runtime between the threads running in the same process, generated by
320 the Simgrid  to simulate the  grid environment.  \RC{On vire cette  phrase ?}The
321 last modification on the  MPI program pointed out for some  cases, the review of
322 the sequence of  the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and  MPI\_Waitall instructions which
323 might cause an infinite loop.
324
325
326 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
327 \  \\ \noindent  Before running  a Simgrid  benchmark, many  parameters for  the
328 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
329 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
330 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
331
332 \begin{itemize}
333         \item hostfile: hosts description file.
334         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
335 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
336 latency lat, \dots{}).
337         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
338 nodes/processors for each cluster).
339 \end{itemize}
340 \noindent
341 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
342
343 \begin{itemize}
344         \item maximum number of inner and outer iterations;
345         \item inner and outer precisions;
346         \item matrix size (N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$);
347         \item matrix diagonal value = 6.0 (for synchronous Krylov multisplitting experiments and 6.2 for asynchronous block Jacobi experiments); \RC{CE tu vérifie, je dis ca de tête}
348         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
349 \end{itemize}
350
351 It should also be noticed that both solvers have been executed with the Simgrid selector -cfg=smpi/running\_power which determines the computational power (here 19GFlops) of the simulator host machine.
352
353 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
354 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
355
356 \section{Experimental Results}
357 \label{sec:expe}
358
359
360 \subsection{Study setup and Simulation Methodology}
361
362 To conduct our study, we have put in place the following methodology
363 which can be reused for any grid-enabled applications.
364
365 \textbf{Step 1} : Choose with the end users the class of algorithms or
366 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
367 have been chosen for the study in this paper. \\
368
369 \textbf{Step 2} : Collect the software materials needed for the
370 experimentation. In our case, we have two variants algorithms for the
371 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
372 distributed applications. Simgrid is running on the Mesocentre datacenter in Franche-Comte University but also in a virtual machine on a laptop. \\
373
374 \textbf{Step 3} : Fix the criteria which will be used for the future
375 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
376 in one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
377 and in the other hand the execution time and the number of iterations of
378 the application before obtaining the convergence. \\
379
380 \textbf{Step 4 }: Set up the different grid testbed environments
381 which will be simulated in the simulator tool to run the program. The
382 following architecture has been configured in Simgrid : 2x16 - that is a
383 grid containing 2 clusters with 16 hosts (processors/cores) each -, 4x8,
384 4x16, 8x8 and 2x50. The network has been designed to operate with a
385 bandwidth equals to 10Gbits (resp. 1Gbits/s) and a latency of 8.10$^{-6}$
386 microseconds (resp. 5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links (resp.
387 inter-clusters backbone links). \\
388
389 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
390 within these configurations in varying the key parameters, especially
391 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
392 input matrix. Note that some parameters like some program input arguments should be fixed to be invariant to allow the comparison. \\
393
394 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
395
396 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
397 a grid environment}
398
399 From our previous experience on running distributed application in a
400 computational grid, many factors are identified to have an impact on the
401 program behavior and performance on this specific environment. Mainly,
402 first of all, the architecture of the grid itself can obviously
403 influence the performance results of the program. The performance gain
404 might be important theoretically when the number of clusters and/or the
405 number of nodes (processors/cores) in each individual cluster increase.
406
407 Another important factor impacting the overall performance of the
408 application is the network configuration. Two main network parameters
409 can modify drastically the program output results : (i) the network
410 bandwidth (bw=bits/s) also known as "the data-carrying capacity"
411 of the network is defined as the maximum of data that can pass
412 from one point to another in a unit of time. (ii) the network latency
413 (lat : microsecond) defined as the delay from the start time to send the
414 data from a source and the final time the destination have finished to
415 receive it. Upon the network characteristics, another impacting factor
416 is the application dependent volume of data exchanged between the nodes
417 in the cluster and between distant clusters. Large volume of data can be
418 transferred and transit between the clusters and nodes during the code
419 execution.
420
421  In a grid environment, it is common to distinguish in one hand, the
422 "\,intra-network" which refers to the links between nodes within a
423 cluster and in the other hand, the "\,inter-network" which is the
424 backbone link between clusters. By design, these two networks perform
425 with different speed. The intra-network generally works like a high
426 speed local network with a high bandwith and very low latency. In
427 opposite, the inter-network connects clusters sometime via heterogeneous
428 networks components thru internet with a lower speed. The network
429 between distant clusters might be a bottleneck for the global
430 performance of the application.
431
432 \subsection{Comparing GMRES and Multisplitting algorithms in
433 synchronous mode}
434
435 In the scope of this paper, our first objective is to demonstrate the
436 Algo-2 (Multisplitting method) shows a better performance in grid
437 architecture compared with Algo-1 (Classical GMRES) both running in
438 \textit{synchronous mode}. Better algorithm performance
439 should means a less number of iterations output and a less execution time
440 before reaching the convergence. For a systematic study, the experiments
441 should figure out that, for various grid parameters values, the
442 simulator will confirm the targeted outcomes, particularly for poor and
443 slow networks, focusing on the impact on the communication performance
444 on the chosen class of algorithm.
445
446 The following paragraphs present the test conditions, the output results
447 and our comments.\\
448
449
450 \textit{3.a Executing the algorithms on various computational grid
451 architecture and scaling up the input matrix size}
452 \\
453
454 % environment
455 \begin{footnotesize}
456 \begin{tabular}{r c }
457  \hline
458  Grid & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
459  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
460  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
461  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
462  \end{tabular}
463 Table 1 : Clusters x Nodes with N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \\
464
465 \end{footnotesize}
466
467
468
469 %\RCE{J'ai voulu mettre les tableaux des données mais je pense que c'est inutile et ça va surcharger}
470
471
472 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
473 the case for the multisplitting method.
474
475 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
476 \begin{figure} [ht!]
477 \centering
478 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
479 \caption{Cluster x Nodes N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170}
480 %\label{overflow}}
481 \end{figure}
482 %\end{wrapfigure}
483
484 The execution time difference between the two algorithms is important when
485 comparing between different grid architectures, even with the same number of
486 processors (like 2x16 and 4x8 = 32 processors for example). The
487 experiment concludes the low sensitivity of the multisplitting method
488 (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.
489
490 \textit{\\3.b Running on two different speed cluster inter-networks\\}
491
492 % environment
493 \begin{footnotesize}
494 \begin{tabular}{r c }
495  \hline
496  Grid & 2x16, 4x8\\ %\hline
497  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
498  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
499  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
500  \end{tabular}
501 Table 2 : Clusters x Nodes - Networks N1 x N2 \\
502
503  \end{footnotesize}
504
505
506
507 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
508 \begin{figure} [ht!]
509 \centering
510 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
511 \caption{Cluster x Nodes N1 x N2}
512 %\label{overflow}}
513 \end{figure}
514 %\end{wrapfigure}
515
516 The experiments compare the behavior of the algorithms running first on
517 a speed inter- cluster network (N1) and also on a less performant network (N2).
518 Figure 4 shows that end users will gain to reduce the execution time
519 for both algorithms in using a grid architecture like 4x16 or 8x8: the
520 performance was increased in a factor of 2. The results depict also that
521 when the network speed drops down (12.5\%), the difference between the execution
522 times can reach more than 25\%.
523
524 \textit{\\3.c Network latency impacts on performance\\}
525
526 % environment
527 \begin{footnotesize}
528 \begin{tabular}{r c }
529  \hline
530  Grid & 2x16\\ %\hline
531  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
532  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline\\
533  \end{tabular}
534 Table 3 : Network latency impact \\
535
536 \end{footnotesize}
537
538
539
540 \begin{figure} [ht!]
541 \centering
542 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
543 \caption{Network latency impact on execution time}
544 %\label{overflow}}
545 \end{figure}
546
547
548 According the results in figure 5, degradation of the network
549 latency from 8.10$^{-6}$ to 6.10$^{-5}$ implies an absolute time
550 increase more than 75\% (resp. 82\%) of the execution for the classical
551 GMRES (resp. multisplitting) algorithm. In addition, it appears that the
552 multisplitting method tolerates more the network latency variation with
553 a less rate increase of the execution time. Consequently, in the worst case (lat=6.10$^{-5
554 }$), the execution time for GMRES is almost the double of the time for
555 the multisplitting, even though, the performance was on the same order
556 of magnitude with a latency of 8.10$^{-6}$.
557
558 \textit{\\3.d Network bandwidth impacts on performance\\}
559
560 % environment
561 \begin{footnotesize}
562 \begin{tabular}{r c }
563  \hline
564  Grid & 2x16\\ %\hline
565  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
566  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
567  \end{tabular}
568 Table 4 : Network bandwidth impact \\
569
570 \end{footnotesize}
571
572
573 \begin{figure} [ht!]
574 \centering
575 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
576 \caption{Network bandwith impact on execution time}
577 %\label{overflow}
578 \end{figure}
579
580
581
582 The results of increasing the network bandwidth show the improvement
583 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.
584
585 \textit{\\3.e Input matrix size impacts on performance\\}
586
587 % environment
588 \begin{footnotesize}
589 \begin{tabular}{r c }
590  \hline
591  Grid & 4x8\\ %\hline
592  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
593  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline \\
594  \end{tabular}
595 Table 5 : Input matrix size impact\\
596
597 \end{footnotesize}
598
599
600 \begin{figure} [ht!]
601 \centering
602 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
603 \caption{Pb size impact on execution time}
604 %\label{overflow}}
605 \end{figure}
606
607 In this experimentation, the input matrix size has been set from
608 N$_{x}$ = N$_{y}$ = N$_{z}$ = 40 to 200 side elements that is from 40$^{3}$ = 64.000 to
609 200$^{3}$ = 8.000.000 points. Obviously, as shown in the figure 7,
610 the execution time for the two algorithms convergence increases with the
611 input matrix size. But the interesting results here direct on (i) the
612 drastic increase (300 times) of the number of iterations needed before
613 the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
614 go beyond N$_{x}$=150; (ii) the classical GMRES execution time also almost
615 the double from N$_{x}$=140 compared with the convergence time of the
616 multisplitting method. These findings may help a lot end users to setup
617 the best and the optimal targeted environment for the application
618 deployment when focusing on the problem size scale up. Note that the
619 same test has been done with the grid 2x16 getting the same conclusion.
620
621 \textit{\\3.f CPU Power impact on performance\\}
622
623 % environment
624 \begin{footnotesize}
625 \begin{tabular}{r c }
626  \hline
627  Grid & 2x16\\ %\hline
628  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
629  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
630  \end{tabular}
631 Table 6 : CPU Power impact \\
632
633 \end{footnotesize}
634
635
636 \begin{figure} [ht!]
637 \centering
638 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
639 \caption{CPU Power impact on execution time}
640 %\label{overflow}}
641 \end{figure}
642
643 Using the Simgrid simulator flexibility, we have tried to determine the
644 impact on the algorithms performance in varying the CPU power of the
645 clusters nodes from 1 to 19 GFlops. The outputs depicted in the figure 6
646 confirm the performance gain, around 95\% for both of the two methods,
647 after adding more powerful CPU. 
648
649 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and
650 Multisplitting algorithms in asynchronous mode}
651
652 The previous paragraphs put in evidence the interests to simulate the
653 behavior of the application before any deployment in a real environment.
654 We have focused the study on analyzing the performance in varying the
655 key factors impacting the results. The study compares
656 the performance of the two proposed algorithms both in \textit{synchronous mode
657 }. In this section, following the same previous methodology, the goal is to
658 demonstrate the efficiency of the multisplitting method in \textit{
659 asynchronous mode} compared with the classical GMRES staying in
660 \textit{synchronous mode}.
661
662 Note that the interest of using the asynchronous mode for data exchange
663 is mainly, in opposite of the synchronous mode, the non-wait aspects of
664 the current computation after a communication operation like sending
665 some data between nodes. Each processor can continue their local
666 calculation without waiting for the end of the communication. Thus, the
667 asynchronous may theoretically reduce the overall execution time and can
668 improve the algorithm performance.
669
670 As stated supra, Simgrid simulator tool has been used to prove the
671 efficiency of the multisplitting in asynchronous mode and to find the
672 best combination of the grid resources (CPU, Network, input matrix size,
673 \ldots ) to get the highest \textit{"relative gain"} (exec\_time$_{GMRES}$ / exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
674
675
676 The test conditions are summarized in the table below : \\
677
678 % environment
679 \begin{footnotesize}
680 \begin{tabular}{r c }
681  \hline
682  Grid & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
683  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
684    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
685    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
686  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
687  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
688  \end{tabular}
689 \end{footnotesize}
690
691 Again, comprehensive and extensive tests have been conducted varying the
692 CPU power and the network parameters (bandwidth and latency) in the
693 simulator tool with different problem size. The relative gains greater
694 than 1 between the two algorithms have been captured after each step of
695 the test. Table 7 below has recorded the best grid configurations
696 allowing the multisplitting method execution time more performant 2.5 times than
697 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.
698
699 % use the same column width for the following three tables
700 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
701 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
702   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
703   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
704                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
705     \end{tabular}}
706
707
708 \begin{table}[!t]
709   \centering
710 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
711 %  \label{"Table 7"}
712 Table 7. Relative gain of the multisplitting algorithm compared with
713 the classical GMRES \\
714
715   \begin{mytable}{11}
716     \hline
717     bandwidth (Mbit/s)
718     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
719     \hline
720     latency (ms)
721     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
722     \hline
723     power (GFlops)
724     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
725     \hline
726     size (N)
727     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
728     \hline
729     Precision
730     & \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}\\
731     \hline
732     Relative gain
733     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
734     \hline
735   \end{mytable}
736 \end{table}
737
738 \section{Conclusion}
739 CONCLUSION
740
741
742 \section*{Acknowledgment}
743
744 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
745
746
747 \bibliographystyle{wileyj}
748 \bibliography{biblio}
749
750 \end{document}
751
752 %%% Local Variables:
753 %%% mode: latex
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757 %%% End: