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