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25 % et l'affichage correct des URL (commande \url{http://example.com})
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70
71
72
73 \begin{document} \RCE{Titre a confirmer.} \title{Comparative performance
74 analysis of simulated grid-enabled numerical iterative algorithms}
75 %\itshape{\journalnamelc}\footnotemark[2]}
76
77 \author{Charles Emile Ramamonjisoa\affil{1},
78     David Laiymani\affil{1},
79     Arnaud Giersch\affil{1},
80     Lilia Ziane Khodja\affil{2} and
81     Raphaël Couturier\affil{1}
82 }
83
84 \address{
85   \affilnum{1}%
86   Femto-ST Institute, DISC Department,
87   University of Franche-Comté,
88   Belfort, France.
89   Email:~\email{{charles.ramamonjisoa,david.laiymani,arnaud.giersch,raphael.couturier}@univ-fcomte.fr}\break
90   \affilnum{2}
91   Department of Aerospace \& Mechanical Engineering,
92   Non Linear Computational Mechanics,
93   University of Liege, Liege, Belgium.
94   Email:~\email{l.zianekhodja@ulg.ac.be}
95 }
96
97 \begin{abstract}   The behavior of multi-core applications is always a challenge
98 to predict, especially with a new architecture for which no experiment has been
99 performed. With some applications, it is difficult, if not impossible, to build
100 accurate performance models. That is why another solution is to use a simulation
101 tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
102 bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
103 applications. The main contribution of this paper is to show that the use of a
104 simulation tool (here we have decided to use the SimGrid toolkit) can really
105 help developpers to better tune their applications for a given multi-core
106 architecture.
107
108 In particular we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
109 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
110 These algorithms  are used to  solve linear  systems. Two different  variants of
111 the Multisplitting are studied: one  using synchronoous  iterations and  another
112 one  with asynchronous iterations. For each algorithm we have simulated
113 different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
114 execution time.  The obtain simulated results confirm the real results
115 previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm
116 the efficiency of the asynchronous multisplitting algorithm compared to the
117 synchronous GMRES method.
118
119 \end{abstract}
120
121 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
122 %performance}
123 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
124
125 \maketitle
126
127 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
128 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
129 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
130 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
131 complex parallel applications operating on a large amount of data.
132 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
133 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
134 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
135 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
136 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
137 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
138 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
139 code debugging, ability to obtain results quickly\dots{} In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
140
141 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
142 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
143 simple. It generally involves the division of the problem into  several
144 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
145 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
146 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
147 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
148 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
149 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
150 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a
151 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
152 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
153 neighbors. Both communication and computations are \textit{asynchronous}
154 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
155 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
156 that we detail in section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of
157 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
158 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
159 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
160 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
161
162 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
163 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
164 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
165 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
166 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
167 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
168 parameter variation of the execution platform can lead to very different numbers
169 of iterations to reach the converge and so to very different execution times. In
170 this challenging context we think that the  use of a simulation tool can greatly
171 leverage the possibility of testing various platform scenarios.
172
173 The main contribution of this paper is to show that the use of a simulation tool
174 (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real  parallel
175 applications (i.e. large linear system solvers) can help developers to better
176 tune their application for a given multi-core architecture. To show the validity
177 of this approach we first compare the simulated execution of the multisplitting
178 algorithm  with  the  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual)
179 solver~\cite{saad86} in synchronous mode. 
180
181 \LZK{Pas trop convainquant comme argument pour valider l'approche de simulation. \\On peut dire par exemple: on a pu simuler différents algos itératifs à large échelle (le plus connu GMRES et deux variantes de multisplitting) et la simulation nous a permis (sans avoir le vrai matériel) de déterminer quelle serait la meilleure solution pour une telle configuration de l'archi ou vice versa.\\A revoir...}
182
183 The obtained results on different
184 simulated multi-core architectures confirm the real results previously obtained
185 on non simulated architectures.  
186
187 \LZK{Il n y a pas dans la partie expé cette comparaison et confirmation des résultats entre la simulation et l'exécution réelle des algos sur les vrais clusters.\\ Sinon on pourrait ajouter dans la partie expé une référence vers le journal supercomput de krylov multi pour confirmer que cette méthode est meilleure que GMRES sur les clusters large échelle.}
188
189 We also confirm  the efficiency  of the
190 asynchronous  multisplitting algorithm  compared to the synchronous  GMRES. 
191
192 \LZK{P.S.: Pour tout le papier, le principal objectif n'est pas de faire des comparaisons entre des méthodes itératives!!\\Sinon, les deux algorithmes Krylov multisplitting synchrone et multisplitting asynchrone sont plus efficaces que GMRES sur des clusters à large échelle.\\Et préciser, si c'est vraiment le cas, que le multisplitting asynchrone est plus efficace et adapté aux clusters distants par rapport aux deux autres algos (je n'ai pas encore lu la partie expé)}
193
194 In
195 this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
196 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
197 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
198 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
199 asynchronous iterative application.
200
201 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
202 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
203 section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
204 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
205 experimental results are presented in section~\ref{sec:expe} followed by some
206 concluding remarks and perspectives.
207
208 \LZK{Proposition d'un titre pour le papier: Grid-enabled simulation of large-scale linear iterative solvers.}
209
210
211 \section{The asynchronous iteration model and the motivations of our work}
212 \label{sec:asynchro}
213
214 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoritecally and
215 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
216 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
217 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
218 asynchronous iterations  methods can be used  to solve, for example,  linear and
219 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
220 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
221
222 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
223 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
224 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
225 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
226 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
227 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
228 one, they are not.  It should be noticed that non blocking communications can be
229 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
230 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
231 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
232 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
233 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
234
235 The number of iterations required to reach the convergence is generally greater
236 for the asynchronous scheme (this number depends depends on  the delay of the
237 messages). Note that, it is not the case in the synchronous mode where the
238 number of iterations is the same than in the sequential mode. In this way, the
239 set of the parameters  of the  platform (number  of nodes,  power of nodes,
240 inter and  intra clusters  bandwidth  and  latency, \ldots) and  of  the
241 application can drastically change the number of iterations required to get the
242 convergence. It follows that asynchronous iterative algorithms are difficult to
243 optimize since the financial and deployment costs on large scale multi-core
244 architecture are often very important. So, prior to delpoyment and tests it
245 seems very promising to be able to simulate the behavior of asynchronous
246 iterative algorithms. The problematic is then to show that the results produce
247 by simulation are in accordance with reality i.e. of the same order of
248 magnitude. To our knowledge, there is no study on this problematic.
249
250 \section{SimGrid}
251 \label{sec:simgrid}
252 SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile} is a discrete event simulation framework to study the behavior of large-scale distributed computing platforms as Grids, Peer-to-Peer systems, Clouds and High Performance Computation systems. It is widely used to simulate and evaluate heuristics, prototype applications or even assess legacy MPI applications. It is still actively developed by the scientific community and distributed as an open source software.
253
254 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
255 % SimGrid~\cite{SimGrid,casanova+legrand+quinson.2008.simgrid,casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}
256 % is a simulation framework to study the behavior of large-scale distributed
257 % systems.  As its name suggests, it emanates from the grid computing community,
258 % but is nowadays used to study grids, clouds, HPC or peer-to-peer systems.  The
259 % early versions of SimGrid date back from 1999, but it is still actively
260 % developed and distributed as an open source software.  Today, it is one of the
261 % major generic tools in the field of simulation for large-scale distributed
262 % systems.
263
264 SimGrid provides several programming interfaces: MSG to simulate Concurrent
265 Sequential Processes, SimDAG to simulate DAGs of (parallel) tasks, and SMPI to
266 run real applications written in MPI~\cite{MPI}.  Apart from the native C
267 interface, SimGrid provides bindings for the C++, Java, Lua and Ruby programming
268 languages.  SMPI is the interface that has been used for the work described in
269 this paper.  The SMPI interface implements about \np[\%]{80} of the MPI 2.0
270 standard~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}, and supports
271 applications written in C or Fortran, with little or no modifications (cf Section IV - paragraph B).
272
273 Within SimGrid, the execution of a distributed application is simulated by a
274 single process.  The application code is really executed, but some operations,
275 like communications, are intercepted, and their running time is computed
276 according to the characteristics of the simulated execution platform.  The
277 description of this target platform is given as an input for the execution, by
278 means of an XML file.  It describes the properties of the platform, such as
279 the computing nodes with their computing power, the interconnection links with
280 their bandwidth and latency, and the routing strategy.  The scheduling of the
281 simulated processes, as well as the simulated running time of the application
282 are computed according to these properties.
283
284 To compute the durations of the operations in the simulated world, and to take
285 into account resource sharing (e.g. bandwidth sharing between competing
286 communications), SimGrid uses a fluid model.  This allows users to run relatively fast
287 simulations, while still keeping accurate
288 results~\cite{bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward,
289   velho+schnorr+casanova+al.2013.validity}.  Moreover, depending on the
290 simulated application, SimGrid/SMPI allows to skip long lasting computations and
291 to only take their duration into account.  When the real computations cannot be
292 skipped, but the results are unimportant for the simulation results, it is
293 also possible to share dynamically allocated data structures between
294 several simulated processes, and thus to reduce the whole memory consumption.
295 These two techniques can help to run simulations on a very large scale.
296
297 The validity of simulations with SimGrid has been asserted by several studies.
298 See, for example, \cite{velho+schnorr+casanova+al.2013.validity} and articles
299 referenced therein for the validity of the network models.  Comparisons between
300 real execution of MPI applications on the one hand, and their simulation with
301 SMPI on the other hand, are presented in~\cite{guermouche+renard.2010.first,
302   clauss+stillwell+genaud+al.2011.single,
303   bedaride+degomme+genaud+al.2013.toward}.  All these works conclude that
304 SimGrid is able to simulate pretty accurately the real behavior of the
305 applications.
306 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
307
308 \section{Two-stage multisplitting methods}
309 \label{sec:04}
310 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
311 \label{sec:04.01}
312 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 $\mathbb{R}$:
313 \begin{equation}
314 Ax=b,
315 \label{eq:01}
316 \end{equation}
317 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:
318 \begin{equation}
319 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
320 \label{eq:02}
321 \end{equation}
322 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:
323 \begin{equation}
324 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
325 \label{eq:03}
326 \end{equation}
327 where right-hand sides $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m$ are computed using the shared vectors $x_m$. In this paper, we use the well-known iterative method GMRES ({\it Generalized Minimal RESidual})~\cite{saad86} as an inner iteration to approximate the solutions of the different splittings arising from the block Jacobi multisplitting of matrix $A$. The algorithm in Figure~\ref{alg:01} shows the main key points of our block Jacobi two-stage method executed by a cluster of processors. In line~\ref{solve}, the linear sub-system~(\ref{eq:03}) is solved in parallel using GMRES method where $\MIG$ and $\TOLG$ are the maximum number of inner iterations and the tolerance threshold for GMRES respectively. The convergence of the two-stage multisplitting methods, based on synchronous or asynchronous iterations, has been studied by many authors for example~\cite{Bru95,bahi07}.
328
329 \begin{figure}[t]
330 %\begin{algorithm}[t]
331 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
332 \begin{algorithmic}[1]
333   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
334   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
335   \State Set the initial guess $x^0$
336   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
337     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
338     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
339     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
340     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
341   \EndFor
342 \end{algorithmic}
343 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
344 \label{alg:01}
345 %\end{algorithm}
346 \end{figure}
347
348 In this paper, we propose two algorithms of two-stage multisplitting methods. The first algorithm is based on the asynchronous model which allows communications to be overlapped by computations and reduces the idle times resulting from the synchronizations. So in the asynchronous mode, our two-stage algorithm uses asynchronous outer iterations and asynchronous communications between clusters. The communications (i.e. lines~\ref{send} and~\ref{recv} in Figure~\ref{alg:01}) are performed by message passing using MPI non-blocking communication routines. The convergence of the asynchronous iterations is detected when all clusters have locally converged:
349 \begin{equation}
350 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
351 \label{eq:04}
352 \end{equation}
353 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
354
355 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:
356 \begin{equation}
357 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
358 \label{eq:05}
359 \end{equation}
360 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
361 \begin{equation}
362 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
363 \label{eq:06}
364 \end{equation}
365 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}).
366
367 \begin{figure}[t]
368 %\begin{algorithm}[t]
369 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
370 \begin{algorithmic}[1]
371   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
372   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
373   \State Set the initial guess $x^0$
374   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
375     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
376     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
377     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
378     \If{$k\mod s = 0$}
379        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
380        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
381        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
382        \Else
383          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
384     \EndIf
385     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
386   \EndFor
387 \end{algorithmic}
388 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
389 \label{alg:02}
390 %\end{algorithm}
391 \end{figure}
392
393 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
394 \label{sec:04.02}
395
396 One of our objectives when simulating the  application in Simgrid is, as in real
397 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
398 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
399 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the Simgrid
400 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
401 libraries  and related  header files  (smpi.h).  The  second modification  is to
402 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
403 Simgrid      selector       called      "runtime       automatic      switching"
404 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
405 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
406 Simgrid  to simulate the  grid environment.
407
408 %\RC{On vire cette  phrase ?} \RCE {Si c'est la phrase d'avant sur les threads, je pense qu'on peut la retenir car c'est l'explication du pourquoi Simgrid n'aime pas les variables globales. Si c'est pas bien dit, on peut la reformuler. Si c'est la phrase ci-apres, effectivement, on peut la virer si elle preterais a discussion}The
409 %last modification on the  MPI program pointed out for some  cases, the review of
410 %the sequence of  the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and  MPI\_Waitall instructions which
411 %might cause an infinite loop.
412
413
414 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
415 \  \\ \noindent  Before running  a Simgrid  benchmark, many  parameters for  the
416 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
417 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
418 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
419
420 \begin{itemize}
421         \item hostfile: hosts description file.
422         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
423 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
424 latency lat, \dots{}).
425         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
426 nodes/processors for each cluster).
427 \end{itemize}
428 \noindent
429 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
430
431 \begin{itemize}
432         \item maximum number of inner iterations $\MIG$ and outer iterations $\MIM$,
433         \item inner precision $\TOLG$ and outer precision $\TOLM$,
434         \item matrix sizes of the 3D Poisson problem: N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$ on axis $x$, $y$ and $z$ respectively,
435         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous Krylov multisplitting experiments and $6.2$ for asynchronous block Jacobi experiments,
436         \item matrix off-diagonal value is fixed to $-1.0$,
437         \item number of vectors in matrix $S$ (i.e. value of $s$),
438         \item maximum number of iterations $\MIC$ and precision $\TOLC$ for CGLS method,
439         \item maximum number of iterations and precision for the classical GMRES method,
440         \item maximum number of restarts for the Arnorldi process in GMRES method,
441         \item execution mode: synchronous or asynchronous.
442 \end{itemize}
443
444 It should also be noticed that both solvers have been executed with the Simgrid selector \texttt{-cfg=smpi/running\_power} which determines the computational power (here 19GFlops) of the simulator host machine.
445
446 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
447 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
448
449 \section{Experimental Results}
450 \label{sec:expe}
451
452 In this section, experiments for both Multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
453
454 \subsection{The 3D Poisson problem}
455
456
457 We use our two-stage algorithms to solve the well-known Poisson problem $\nabla^2\phi=f$~\cite{Polyanin01}. In three-dimensional Cartesian coordinates in $\mathbb{R}^3$, the problem takes the following form:
458 \begin{equation}
459 \frac{\partial^2}{\partial x^2}\phi(x,y,z)+\frac{\partial^2}{\partial y^2}\phi(x,y,z)+\frac{\partial^2}{\partial z^2}\phi(x,y,z)=f(x,y,z)\mbox{~in the domain~}\Omega
460 \label{eq:07}
461 \end{equation}
462 such that:
463 \begin{equation*}
464 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
465 \end{equation*}
466 where the real-valued function $\phi(x,y,z)$ is the solution sought, $f(x,y,z)$ is a known function and $\Omega=[0,1]^3$. The 3D discretization of the Laplace operator $\nabla^2$ with the finite difference scheme includes 7 points stencil on the computational grid. The numerical approximation of the Poisson problem on three-dimensional grid is repeatedly computed as $\phi=\phi^\star$ such that:
467 \begin{equation}
468 \begin{array}{ll}
469 \phi^\star(x,y,z)=&\frac{1}{6}(\phi(x-h,y,z)+\phi(x,y-h,z)+\phi(x,y,z-h)\\&+\phi(x+h,y,z)+\phi(x,y+h,z)+\phi(x,y,z+h)\\&-h^2f(x,y,z))
470 \end{array}
471 \label{eq:08}
472 \end{equation}
473 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
474
475 In the parallel context, the 3D Poisson problem is partitioned into $L\times p$ sub-problems such that $L$ is the number of clusters and $p$ is the number of processors in each cluster. We apply the three-dimensional partitioning instead of the row-by-row one in order to reduce the size of the data shared at the sub-problems boundaries. In this case, each processor is in charge of parallelepipedic block of the problem and has at most six neighbors in the same cluster or in distant clusters with which it shares data at boundaries.
476
477 \subsection{Study setup and simulation methodology}
478
479 First, to conduct our study, we propose the following methodology
480 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
481
482 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
483 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
484 have been chosen for the study in this paper. \\
485
486 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
487 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
488 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the Multisplitting
489 method. In addition, the Simgrid simulator has been chosen to simulate the
490 behaviors of the distributed applications. Simgrid is running in a virtual
491 machine on a simple laptop. \\
492
493 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
494 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
495 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
496 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
497
498 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
499 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architecture
500 has been configured in Simgrid : 2x16, 4x8, 4x16, 8x8 and 2x50. The first number
501 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
502 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network  has been
503 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
504 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
505 (resp.  inter-clusters backbone links). \\
506
507 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
508 within these configurations by varying the key parameters, especially
509 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
510 input data.  \\
511
512 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
513
514 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
515 a grid environment}
516
517 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
518 have a strong impact on the performance.  First of all, the architecture of the
519 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
520 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
521 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
522 increase.
523
524 Another important factor  impacting the overall performance  of the application
525 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
526 the program output results:
527 \begin{enumerate}
528 \item  the network  bandwidth  (bw=bits/s) also  known  as "the  data-carrying
529     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
530     from one point to another in a unit of time.
531 \item the  network latency  (lat :  microsecond) defined as  the delay  from the
532   start time to send  a simple data from a source to a destination.
533 \end{enumerate}
534 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
535 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
536
537  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
538  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and
539  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
540  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.
541  The intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a
542  high bandwith and very low latency. In opposite, the inter-network connects
543  clusters sometime via  heterogeneous networks components  throuth internet with
544  a lower speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck
545  for  the global performance of the application.
546
547 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov Multisplitting algorithms in synchronous mode}
548
549 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
550 Multisplitting  method   has  better  performance  than   the  classical  GMRES
551 method. With a synchronous  iterative method, better performance means a
552 smaller number of iterations and execution time before reaching the convergence.
553 For a systematic study,  the experiments  should figure  out  that, for  various
554 grid  parameters values, the simulator will confirm  the targeted outcomes,
555 particularly for poor and slow  networks, focusing on the  impact on the
556 communication  performance on the chosen class of algorithm.
557
558 The following paragraphs present the test conditions, the output results
559 and our comments.\\
560
561
562 \subsubsection{Execution of the algorithms on various computational grid
563 architectures and scaling up the input matrix size}
564 \ \\
565 % environment
566
567 \begin{table} [ht!]
568 \begin{center}
569 \begin{tabular}{r c }
570  \hline
571  Grid Architecture & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
572  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
573  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
574  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
575  \end{tabular}
576 \caption{Test conditions: various grid configurations with the input matix size N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \RC{N2 n'est pas défini..}\RC{Nx est défini, Ny? Nz?}
577 \AG{La lettre 'x' n'est pas le symbole de la multiplication. Utiliser \texttt{\textbackslash times}.  Idem dans le texte, les figures, etc.}}
578 \label{tab:01}
579 \end{center}
580 \end{table}
581
582
583
584
585
586 In this  section, we analyze the  performance of algorithms running  on various
587 grid configurations  (2x16, 4x8, 4x16  and 8x8). First,  the results in  Figure~\ref{fig:01}
588 show for all grid configurations the non-variation of the number of iterations of
589 classical  GMRES for  a given  input matrix  size; it is not  the case  for the
590 multisplitting method.
591
592 \RC{CE attention tu n'as pas mis de label dans tes figures, donc c'est le bordel, j'en mets mais vérifie...}
593 \RC{Les légendes ne sont pas explicites...}
594
595
596 \begin{figure} [ht!]
597   \begin{center}
598     \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
599   \end{center}
600   \caption{Various grid configurations with the input matrix size N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170\RC{idem}
601 \AG{Utiliser le point comme séparateur décimal et non la virgule.  Idem dans les autres figures.}}
602   \label{fig:01}
603 \end{figure}
604
605
606 The execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
607 grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2x16
608 and  4x8). We  can  observ  the low  sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
609 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
610 in the  grid: in  average, the GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm performs
611 $40\%$ better (resp. $48\%$) when running from 2x16=32 to 8x8=64 processors. \RC{pas très clair, c'est pas précis de dire qu'un algo perform mieux qu'un autre, selon quel critère?}
612
613 \subsubsection{Running on two different inter-clusters network speeds \\}
614
615 \begin{table} [ht!]
616 \begin{center}
617 \begin{tabular}{r c }
618  \hline
619  Grid Architecture & 2x16, 4x8\\ %\hline
620  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
621  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
622  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
623  \end{tabular}
624 \caption{Test conditions: grid 2x16 and 4x8 with  networks N1 vs N2}
625 \label{tab:02}
626 \end{center}
627 \end{table}
628
629 These experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running first  on a
630 speed inter-cluster  network (N1) and  also on  a less performant  network (N2). \RC{Il faut définir cela avant...}
631 Figure~\ref{fig:02} shows that end users will reduce the execution time
632 for  both  algorithms when using  a  grid  architecture  like  4x16 or  8x8: the reduction is about $2$. The results depict  also that when
633 the  network speed  drops down (variation of 12.5\%), the  difference between  the two Multisplitting algorithms execution times can reach more than 25\%.
634 %\RC{c'est pas clair : la différence entre quoi et quoi?}
635 %\DL{pas clair}
636 %\RCE{Modifie}
637
638
639 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
640 \begin{figure} [ht!]
641 \centering
642 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
643 \caption{Grid 2x16 and 4x8 with networks N1 vs N2
644 \AG{\np{8E-6}, \np{5E-6} au lieu de 8E-6, 5E-6}}
645 \label{fig:02}
646 \end{figure}
647 %\end{wrapfigure}
648
649
650 \subsubsection{Network latency impacts on performance}
651 \ \\
652 \begin{table} [ht!]
653 \centering
654 \begin{tabular}{r c }
655  \hline
656  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
657  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
658  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
659  \end{tabular}
660 \caption{Test conditions: network latency impacts}
661 \label{tab:03}
662 \end{table}
663
664
665
666 \begin{figure} [ht!]
667 \centering
668 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
669 \caption{Network latency impacts on execution time
670 \AG{\np{E-6}}}
671 \label{fig:03}
672 \end{figure}
673
674
675 According to  the results of  Figure~\ref{fig:03}, a degradation of  the network
676 latency from  $8.10^{-6}$ to  $6.10^{-5}$ implies an  absolute time  increase of
677 more  than $75\%$  (resp.  $82\%$)  of the  execution  for  the classical  GMRES
678 (resp.  Krylov multisplitting)  algorithm.   In addition,  it  appears that  the
679 Krylov multisplitting method tolerates more the network latency variation with a
680 less  rate increase  of  the  execution time.\RC{Les  2  précédentes phrases  me
681   semblent en contradiction....}  Consequently, in the worst case ($lat=6.10^{-5
682 }$), the  execution time for  GMRES is  almost the double  than the time  of the
683 Krylov multisplitting,  even though, the  performance was  on the same  order of
684 magnitude with a latency of $8.10^{-6}$.
685
686 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
687 \ \\
688 \begin{table} [ht!]
689 \centering
690 \begin{tabular}{r c }
691  \hline
692  Grid Architecture & 2x16\\ %\hline
693  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
694  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
695  \end{tabular}
696 \caption{Test conditions: Network bandwidth impacts\RC{Qu'est ce qui varie ici? Il n'y a pas de variation dans le tableau}}
697 \label{tab:04}
698 \end{table}
699
700
701 \begin{figure} [ht!]
702 \centering
703 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
704 \caption{Network bandwith impacts on execution time
705 \AG{``Execution time'' avec un 't' minuscule}. Idem autres figures.}
706 \label{fig:04}
707 \end{figure}
708
709 The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
710 performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
711 Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
712 presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
713 of $40\%$ which is only around $24\%$ for the classical GMRES.
714
715 \subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
716 \ \\
717 \begin{table} [ht!]
718 \centering
719 \begin{tabular}{r c }
720  \hline
721  Grid Architecture & 4x8\\ %\hline
722  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\
723  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
724  \end{tabular}
725 \caption{Test conditions: Input matrix size impacts}
726 \label{tab:05}
727 \end{table}
728
729
730 \begin{figure} [ht!]
731 \centering
732 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
733 \caption{Problem size impacts on execution time}
734 \label{fig:05}
735 \end{figure}
736
737 In these experiments, the input matrix size  has been set from $N_{x} = N_{y}
738 = N_{z} = 40$ to $200$ side elements  that is from $40^{3} = 64.000$ to $200^{3}
739 = 8,000,000$  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
740 time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
741 But the interesting results are:
742 \begin{enumerate}
743   \item the drastic increase ($10$ times)  of the number of iterations needed to
744     reach the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
745     go beyond $N_{x}=150$; \RC{C'est toujours pas clair... ok le nommbre d'itérations est 10 fois plus long mais la suite de la phrase ne veut rien dire}
746 \item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for $N_{x}=140$
747   compared with the Krylov multisplitting method.
748 \end{enumerate}
749
750 These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
751 targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
752 size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
753 grid 2x16 leading to the same conclusion.
754
755 \subsubsection{CPU Power impacts on performance}
756
757 \begin{table} [ht!]
758 \centering
759 \begin{tabular}{r c }
760  \hline
761  Grid architecture & 2x16\\ %\hline
762  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
763  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
764  \end{tabular}
765 \caption{Test conditions: CPU Power impacts}
766 \label{tab:06}
767 \end{table}
768
769 \begin{figure} [ht!]
770 \centering
771 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
772 \caption{CPU Power impacts on execution time}
773 \label{fig:06}
774 \end{figure}
775
776 Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
777 on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
778 from $1$ to $19$ GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
779 performance gain,  around $95\%$ for  both of the  two methods, after  adding more
780 powerful CPU.
781
782 \DL{il faut une conclusion sur ces tests : ils confirment les résultats déjà
783 obtenus en grandeur réelle. Donc c'est une aide précieuse pour les dev. Pas
784 besoin de déployer sur une archi réelle}
785
786
787 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
788
789 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
790 of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
791 section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
792 efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} compared with the
793 classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
794
795 The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
796 synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
797 In  this case,  each  processor can  compute its  iteration  freely without  any
798 synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
799 theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
800 performance.
801
802 \RC{la phrase suivante est bizarre, je ne comprends pas pourquoi elle vient ici}
803 In this section, Simgrid simulator tool has been successfully used to show
804 the efficiency of  the multisplitting in asynchronous mode and  to find the best
805 combination of the grid resources (CPU,  Network, input matrix size, \ldots ) to
806 get    the   highest    \textit{"relative    gain"}   (exec\_time$_{GMRES}$    /
807 exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
808
809
810 The test conditions are summarized in the table~\ref{tab:07}: \\
811
812 \begin{table} [ht!]
813 \centering
814 \begin{tabular}{r c }
815  \hline
816  Grid Architecture & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
817  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
818    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
819    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
820  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
821  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
822  \end{tabular}
823 \caption{Test conditions: GMRES in synchronous mode vs Krylov Multisplitting in asynchronous mode}
824 \label{tab:07}
825 \end{table}
826
827 Again,  comprehensive and  extensive tests  have been  conducted with  different
828 parameters as  the CPU power, the  network parameters (bandwidth and  latency)
829 and with different problem size. The  relative gains greater than $1$  between the
830 two algorithms have  been captured after  each step  of the test.   In
831 Figure~\ref{fig:07}  are  reported the  best  grid  configurations allowing
832 the  multisplitting method to  be more than  $2.5$ times faster  than the
833 classical  GMRES.  These  experiments also  show the  relative tolerance  of the
834 multisplitting algorithm when using a low speed network as usually observed with
835 geographically distant clusters through the internet.
836
837 % use the same column width for the following three tables
838 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
839 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
840   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
841   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
842                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
843     \end{tabular}}
844
845
846 \begin{figure}[!t]
847 \centering
848 %\begin{table}
849 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
850 %  \label{"Table 7"}
851  \begin{mytable}{11}
852     \hline
853     bandwidth (Mbit/s)
854     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
855     \hline
856     latency (ms)
857     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
858     \hline
859     power (GFlops)
860     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
861     \hline
862     size (N)
863     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
864     \hline
865     Precision
866     & \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}\\
867     \hline
868     Relative gain
869     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
870     \hline
871   \end{mytable}
872 %\end{table}
873  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES
874 \AG{C'est un tableau, pas une figure}}
875  \label{fig:07}
876 \end{figure}
877
878
879 \section{Conclusion}
880 CONCLUSION
881
882
883 %\section*{Acknowledgment}
884 \ack
885 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
886
887 \bibliographystyle{wileyj}
888 \bibliography{biblio}
889 \AG{Warning bibtex à corriger (%
890   \texttt{empty booktitle in Bru95}%
891 ).}
892
893 \end{document}
894
895 %%% Local Variables:
896 %%% mode: latex
897 %%% TeX-master: t
898 %%% fill-column: 80
899 %%% ispell-local-dictionary: "american"
900 %%% End: