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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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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. The main contribution of this paper is to show that the use of a
100 simulation tool (here we have decided to use the SimGrid toolkit) can really
101 help developpers to better tune their applications for a given multi-core
102 architecture.
103
104 In particular we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
105 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
106 These algorithms  are used to  solve linear  systems. Two different  variants of
107 the Multisplitting are studied: one  using synchronoous  iterations and  another
108 one  with asynchronous iterations. For each algorithm we have simulated
109 different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
110 execution time.  The obtain simulated results confirm the real results
111 previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm
112 the efficiency of the asynchronous multisplitting algorithm compared to the
113 synchronous GMRES method.
114
115 \end{abstract}
116
117 %\keywords{Algorithm; distributed; iterative; asynchronous; simulation; simgrid;
118 %performance}
119 \keywords{ Performance evaluation, Simulation, SimGrid,  Synchronous and asynchronous iterations, Multisplitting algorithms}
120
121 \maketitle
122
123 \section{Introduction}  The use of multi-core architectures to solve large
124 scientific problems seems to  become imperative  in  many situations.
125 Whatever the scale of these architectures (distributed clusters, computational
126 grids, embedded multi-core,~\ldots) they  are generally  well adapted to execute
127 complex parallel applications operating on a large amount of data.
128 Unfortunately,  users (industrials or scientists),  who need such computational
129 resources, may not have an easy access to such efficient architectures. The cost
130 of using the platform and/or the cost of  testing and deploying an application
131 are often very important. So, in this context it is difficult to optimize a
132 given application for a given  architecture. In this way and in order to reduce
133 the access cost to these computing resources it seems very interesting to use a
134 simulation environment.  The advantages are numerous: development life cycle,
135 code debugging, ability to obtain results quickly~\ldots. In counterpart, the simulation results need to be consistent with the real ones.
136
137 In this paper we focus on a class of highly efficient parallel algorithms called
138 \emph{iterative algorithms}. The parallel scheme of iterative methods is quite
139 simple. It generally involves the division of the problem into  several
140 \emph{blocks}  that  will  be  solved  in  parallel  on  multiple processing
141 units.  Each processing unit has to compute an iteration to send/receive some
142 data dependencies to/from its neighbors and to iterate this process until the
143 convergence of the method. Several well-known studies demonstrate the
144 convergence of these algorithms~\cite{BT89,bahi07}. In this processing mode a
145 task cannot begin a new iteration while it has not received data dependencies
146 from its neighbors. We say that the iteration computation follows a
147 \textit{synchronous} scheme. In the asynchronous scheme a task can compute a new
148 iteration without having to wait for the data dependencies coming from its
149 neighbors. Both communication and computations are \textit{asynchronous}
150 inducing that there is no more idle time, due to synchronizations, between two
151 iterations~\cite{bcvc06:ij}. This model presents some advantages and drawbacks
152 that we detail in section~\ref{sec:asynchro} but even if the number of
153 iterations required to converge is generally  greater  than for the synchronous
154 case, it appears that the asynchronous  iterative scheme  can significantly
155 reduce  overall execution times by  suppressing idle  times due to
156 synchronizations~(see~\cite{bahi07} for more details).
157
158 Nevertheless,  in both  cases  (synchronous  or asynchronous)  it  is very  time
159 consuming to find optimal configuration  and deployment requirements for a given
160 application  on   a  given   multi-core  architecture.  Finding   good  resource
161 allocations policies under  varying CPU power, network speeds and  loads is very
162 challenging and  labor intensive~\cite{Calheiros:2011:CTM:1951445.1951450}. This
163 problematic is  even more difficult  for the  asynchronous scheme where  a small
164 parameter variation of the execution platform can lead to very different numbers
165 of iterations to reach the converge and so to very different execution times. In
166 this challenging context we think that the  use of a simulation tool can greatly
167 leverage the possibility of testing various platform scenarios.
168
169 The main contribution of this paper is to show that the use of a simulation tool
170 (i.e. the SimGrid toolkit~\cite{SimGrid}) in the context of real  parallel
171 applications (i.e. large linear system solvers) can help developers to better
172 tune their application for a given multi-core architecture. To show the validity
173 of this approach we first compare the simulated execution of the multisplitting
174 algorithm  with  the  GMRES   (Generalized   Minimal  Residual)
175 solver~\cite{saad86} in synchronous mode. The obtained results on different
176 simulated multi-core architectures confirm the real results previously obtained
177 on non simulated architectures.  We also confirm  the efficiency  of the
178 asynchronous  multisplitting algorithm  compared to the synchronous  GMRES. In
179 this way and with a simple computing architecture (a laptop) SimGrid allows us
180 to run a test campaign  of  a  real parallel iterative  applications on
181 different simulated multi-core architectures.  To our knowledge, there is no
182 related work on the large-scale multi-core simulation of a real synchronous and
183 asynchronous iterative application.
184
185 This paper is organized as follows. Section~\ref{sec:asynchro} presents the
186 iteration model we use and more particularly the asynchronous scheme.  In
187 section~\ref{sec:simgrid} the SimGrid simulation toolkit is presented.
188 Section~\ref{sec:04} details the different solvers that we use.  Finally our
189 experimental results are presented in section~\ref{sec:expe} followed by some
190 concluding remarks and perspectives.
191
192
193 \section{The asynchronous iteration model}
194 \label{sec:asynchro}
195
196 Asynchronous iterative methods have been  studied for many years theoritecally and
197 practically. Many methods have been considered and convergence results have been
198 proved. These  methods can  be used  to solve, in  parallel, fixed  point problems
199 (i.e. problems  for which  the solution is  $x^\star =f(x^\star)$.  In practice,
200 asynchronous iterations  methods can be used  to solve, for example,  linear and
201 non-linear systems of equations or optimization problems, interested readers are
202 invited to read~\cite{BT89,bahi07}.
203
204 Before  using  an  asynchronous  iterative   method,  the  convergence  must  be
205 studied. Otherwise, the  application is not ensure to reach  the convergence. An
206 algorithm that supports both the synchronous or the asynchronous iteration model
207 requires very few modifications  to be able to be executed  in both variants. In
208 practice, only  the communications and  convergence detection are  different. In
209 the synchronous  mode, iterations are  synchronized whereas in  the asynchronous
210 one, they are not.  It should be noticed that non blocking communications can be
211 used in both  modes. Concerning the convergence  detection, synchronous variants
212 can use  a global convergence procedure  which acts as a  global synchronization
213 point. In the  asynchronous model, the convergence detection is  more tricky as
214 it   must  not   synchronize  all   the  processors.   Interested  readers   can
215 consult~\cite{myBCCV05c,bahi07,ccl09:ij}.
216
217 \section{SimGrid}
218  \label{sec:simgrid}
219
220 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
221 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
222
223 \section{Two-stage multisplitting methods}
224 \label{sec:04}
225 \subsection{Synchronous and asynchronous two-stage methods for sparse linear systems}
226 \label{sec:04.01}
227 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 $\mathbb{R}$:
228 \begin{equation}
229 Ax=b,
230 \label{eq:01}
231 \end{equation}
232 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:
233 \begin{equation}
234 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
235 \label{eq:02}
236 \end{equation}
237 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:
238 \begin{equation}
239 A_{\ell\ell} x_\ell = c_\ell,\mbox{~for~}\ell=1,\ldots,L,
240 \label{eq:03}
241 \end{equation}
242 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}.
243
244 \begin{figure}[t]
245 %\begin{algorithm}[t]
246 %\caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
247 \begin{algorithmic}[1]
248   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
249   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
250   \State Set the initial guess $x^0$
251   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
252     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
253     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$\label{solve}
254     \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters\label{send}
255     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters\label{recv}
256   \EndFor
257 \end{algorithmic}
258 \caption{Block Jacobi two-stage multisplitting method}
259 \label{alg:01}
260 %\end{algorithm}
261 \end{figure}
262
263 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:
264 \begin{equation}
265 k\geq\MIM\mbox{~or~}\|x_\ell^{k+1}-x_\ell^k\|_{\infty }\leq\TOLM,
266 \label{eq:04}
267 \end{equation}
268 where $\MIM$ is the maximum number of outer iterations and $\TOLM$ is the tolerance threshold for the two-stage algorithm.
269
270 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:
271 \begin{equation}
272 S=[x^1,x^2,\ldots,x^s],~s\ll n.
273 \label{eq:05}
274 \end{equation}
275 At each $s$ outer iterations, the algorithm computes a new approximation $\tilde{x}=S\alpha$ which minimizes the residual:
276 \begin{equation}
277 \min_{\alpha\in\mathbb{R}^s}{\|b-AS\alpha\|_2}.
278 \label{eq:06}
279 \end{equation}
280 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}).
281
282 \begin{figure}[t]
283 %\begin{algorithm}[t]
284 %\caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
285 \begin{algorithmic}[1]
286   \Input $A_\ell$ (sparse matrix), $b_\ell$ (right-hand side)
287   \Output $x_\ell$ (solution vector)\vspace{0.2cm}
288   \State Set the initial guess $x^0$
289   \For {$k=1,2,3,\ldots$ until convergence}
290     \State $c_\ell=b_\ell-\sum_{m\neq\ell}A_{\ell m}x_m^{k-1}$
291     \State $x^k_\ell=Solve_{gmres}(A_{\ell\ell},c_\ell,x^{k-1}_\ell,\MIG,\TOLG)$
292     \State $S_{\ell,k\mod s}=x_\ell^k$
293     \If{$k\mod s = 0$}
294        \State $\alpha = Solve_{cgls}(AS,b,\MIC,\TOLC)$\label{cgls}
295        \State $\tilde{x_\ell}=S_\ell\alpha$
296        \State Send $\tilde{x_\ell}$ to neighboring clusters
297        \Else
298          \State Send $x_\ell^k$ to neighboring clusters
299     \EndIf
300     \State Receive $\{x_m^k\}_{m\neq\ell}$ from neighboring clusters
301   \EndFor
302 \end{algorithmic}
303 \caption{Krylov two-stage method using block Jacobi multisplitting}
304 \label{alg:02}
305 %\end{algorithm}
306 \end{figure}
307
308 \subsection{Simulation of the two-stage methods using SimGrid toolkit}
309 \label{sec:04.02}
310
311 One of our objectives when simulating the  application in Simgrid is, as in real
312 life, to  get accurate results  (solutions of the  problem) but also to ensure the
313 test reproducibility  under the same  conditions.  According to  our experience,
314 very  few modifications  are required  to adapt  a MPI  program for  the Simgrid
315 simulator using SMPI (Simulator MPI). The  first modification is to include SMPI
316 libraries  and related  header files  (smpi.h).  The  second modification  is to
317 suppress all global variables by replacing  them with local variables or using a
318 Simgrid      selector       called      "runtime       automatic      switching"
319 (smpi/privatize\_global\_variables). Indeed, global  variables can generate side
320 effects on runtime between the threads running in the same process and generated by
321 Simgrid  to simulate the  grid environment.
322
323 %\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
324 %last modification on the  MPI program pointed out for some  cases, the review of
325 %the sequence of  the MPI\_Isend, MPI\_Irecv and  MPI\_Waitall instructions which
326 %might cause an infinite loop.
327
328
329 \paragraph{Simgrid Simulator parameters}
330 \  \\ \noindent  Before running  a Simgrid  benchmark, many  parameters for  the
331 computation platform must be defined. For our experiments, we consider platforms
332 in which  several clusters are  geographically distant,  so there are  intra and
333 inter-cluster communications. In the following, these parameters are described:
334
335 \begin{itemize}
336         \item hostfile: hosts description file.
337         \item platform: file describing the platform architecture: clusters (CPU power,
338 \dots{}), intra cluster network description, inter cluster network (bandwidth bw,
339 latency lat, \dots{}).
340         \item archi   : grid computational description (number of clusters, number of
341 nodes/processors for each cluster).
342 \end{itemize}
343 \noindent
344 In addition, the following arguments are given to the programs at runtime:
345
346 \begin{itemize}
347         \item maximum number of inner and outer iterations;
348         \item inner and outer precisions;
349         \item maximum number of the GMRES restarts in the Arnorldi process;
350         \item maximum number of iterations and the tolerance threshold in classical GMRES;
351         \item tolerance threshold for outer and inner-iterations;
352         \item matrix size (N$_{x}$, N$_{y}$ and N$_{z}$) respectively on $x, y, z$ axis;
353         \item matrix diagonal value is fixed to $6.0$ for synchronous Krylov multisplitting experiments and $6.2$ for asynchronous block Jacobi experiments; \RC{CE tu vérifies, je dis ca de tête}
354         \item matrix off-diagonal value;
355         \item execution mode: synchronous or asynchronous;
356         \RCE {C'est ok la liste des arguments du programme mais si Lilia ou toi pouvez preciser pour les  arguments pour CGLS ci dessous} \RC{Vu que tu n'as pas fait varier ce paramètre, on peut ne pas en parler}
357         \item Size of matrix S;
358         \item Maximum number of iterations and tolerance threshold for CGLS.
359 \end{itemize}
360
361 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.
362
363 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
364 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
365
366 \section{Experimental Results}
367 \label{sec:expe}
368
369 In this section, experiments for both Multisplitting algorithms are reported. First the 3D Poisson problem used in our experiments is described.
370
371 \subsection{The 3D Poisson problem}
372
373
374 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:
375 \begin{equation}
376 \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
377 \label{eq:07}
378 \end{equation}
379 such that:
380 \begin{equation*}
381 \phi(x,y,z)=0\mbox{~on the boundary~}\partial\Omega
382 \end{equation*}
383 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:
384 \begin{equation}
385 \begin{array}{ll}
386 \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))
387 \end{array}
388 \label{eq:08}
389 \end{equation}
390 until convergence where $h$ is the grid spacing between two adjacent elements in the 3D computational grid.
391
392 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.
393
394 \subsection{Study setup and simulation methodology}
395
396 First, to conduct our study, we propose the following methodology
397 which can be reused for any grid-enabled applications.\\
398
399 \textbf{Step 1}: Choose with the end users the class of algorithms or
400 the application to be tested. Numerical parallel iterative algorithms
401 have been chosen for the study in this paper. \\
402
403 \textbf{Step 2}: Collect the software materials needed for the experimentation.
404 In our case, we have two variants algorithms for the resolution of the
405 3D-Poisson problem: (1) using the classical GMRES; (2) and the Multisplitting
406 method. In addition, the Simgrid simulator has been chosen to simulate the
407 behaviors of the distributed applications. Simgrid is running in a virtual
408 machine on a simple laptop. \\
409
410 \textbf{Step 3}: Fix the criteria which will be used for the future
411 results comparison and analysis. In the scope of this study, we retain
412 on the  one hand the algorithm execution mode (synchronous and asynchronous)
413 and on the other hand the execution time and the number of iterations to reach the convergence. \\
414
415 \textbf{Step 4  }: Set up the  different grid testbed environments  that will be
416 simulated in the  simulator tool to run the program.  The following architecture
417 has been configured in Simgrid : 2x16, 4x8, 4x16, 8x8 and 2x50. The first number
418 represents the number  of clusters in the grid and  the second number represents
419 the number  of hosts (processors/cores)  in each  cluster. The network  has been
420 designed to  operate with a bandwidth  equals to 10Gbits (resp.  1Gbits/s) and a
421 latency of 8.10$^{-6}$ seconds (resp.  5.10$^{-5}$) for the intra-clusters links
422 (resp.  inter-clusters backbone links). \\
423
424 \textbf{Step 5}: Conduct an extensive and comprehensive testings
425 within these configurations by varying the key parameters, especially
426 the CPU power capacity, the network parameters and also the size of the
427 input data.  \\
428
429 \textbf{Step 6} : Collect and analyze the output results.
430
431 \subsection{Factors impacting distributed applications performance in
432 a grid environment}
433
434 When running a distributed application in a computational grid, many factors may
435 have a strong impact on the performances.  First of all, the architecture of the
436 grid itself can obviously influence the  performance results of the program. The
437 performance gain  might be important  theoretically when the number  of clusters
438 and/or  the  number  of  nodes (processors/cores)  in  each  individual  cluster
439 increase.
440
441 Another important factor  impacting the overall performances  of the application
442 is the network configuration. Two main network parameters can modify drastically
443 the program output results:
444 \begin{enumerate}
445 \item  the network  bandwidth  (bw=bits/s) also  known  as "the  data-carrying
446     capacity" of the network is defined as  the maximum of data that can transit
447     from one point to another in a unit of time.
448 \item the  network latency  (lat :  microsecond) defined as  the delay  from the
449   start time to send  a simple data from a source to a destination.
450 \end{enumerate}
451 Upon  the   network  characteristics,  another  impacting   factor  is  the volume of data exchanged  between the nodes in the cluster
452 and  between distant  clusters.  This parameter is application dependent.
453
454  In  a grid  environment, it  is common  to distinguish,  on the  one hand,  the
455  "intra-network" which refers  to the links between nodes within  a cluster and
456  on  the other  hand, the  "inter-network" which  is the  backbone link  between
457  clusters.  In   practice,  these  two   networks  have  different   speeds.
458  The intra-network  generally works  like a  high speed  local network  with a
459  high bandwith and very low latency. In opposite, the inter-network connects
460  clusters sometime via  heterogeneous networks components  throuth internet with
461  a lower speed.  The network  between distant  clusters might  be a  bottleneck
462  for  the global performance of the application.
463
464 \subsection{Comparison of GMRES and Krylov Multisplitting algorithms in synchronous mode}
465
466 In the scope  of this paper, our  first objective is to analyze  when the Krylov
467 Multisplitting  method   has  better  performances  than   the  classical  GMRES
468 method. With an  iterative method, better performances mean a  smaller number of
469 iterations and execution time before reaching the convergence.  For a systematic
470 study,  the experiments  should figure  out  that, for  various grid  parameters
471 values, the simulator will confirm  the targeted outcomes, particularly for poor
472 and slow  networks, focusing on the  impact on the communication  performance on
473 the chosen class of algorithm.
474
475 The following paragraphs present the test conditions, the output results
476 and our comments.\\
477
478
479 \subsubsection{Execution of the the algorithms on various computational grid
480 architecture and scaling up the input matrix size}
481 \ \\
482 % environment
483
484 \begin{figure} [ht!]
485 \begin{center}
486 \begin{tabular}{r c }
487  \hline
488  Grid & 2x16, 4x8, 4x16 and 8x8\\ %\hline
489  Network & N2 : bw=1Gbits/s - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
490  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ %\hline
491  - &  N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$  =170 x 170 x 170    \\ \hline
492  \end{tabular}
493 \caption{Clusters x Nodes with N$_{x}$=150 or N$_{x}$=170 \RC{je ne comprends pas la légende... Ca ne serait pas plutot Characteristics of cluster (mais il faudrait lui donner un nom)}}
494 \end{center}
495 \end{figure}
496
497
498
499
500 %\RCE{J'ai voulu mettre les tableaux des données mais je pense que c'est inutile et ça va surcharger}
501
502
503 In this  section, we analyze the  performences of algorithms running  on various
504 grid configuration  (2x16, 4x8, 4x16  and 8x8). First,  the results in  Figure~\ref{fig:01}
505 show for all grid configuration the non-variation of the number of iterations of
506 classical  GMRES for  a given  input matrix  size; it  is not  the case  for the
507 multisplitting method.
508
509 \RC{CE attention tu n'as pas mis de label dans tes figures, donc c'est le bordel, j'en mets mais vérifie...}
510 \RC{Les légendes ne sont pas explicites...}
511
512
513 \begin{figure} [ht!]
514   \begin{center}
515     \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_nx_150_and_nx_170.pdf}
516   \end{center}
517   \caption{Cluster x Nodes N$_{x}$=150 and N$_{x}$=170}
518   \label{fig:01}
519 \end{figure}
520
521
522 The execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
523 grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2x16
524 and  4x8). We  can  observ  the low  sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
525 (compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
526 in the  grid: in  average, the GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm performs
527 40\% better (resp. 48\%) less when running from 2x16=32 to 8x8=64 processors.
528
529 \subsubsection{Running on two different speed cluster inter-networks}
530 \ \\
531
532 \begin{figure} [ht!]
533 \begin{center}
534 \begin{tabular}{r c }
535  \hline
536  Grid & 2x16, 4x8\\ %\hline
537  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
538  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
539  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline 
540  \end{tabular}
541 \caption{Clusters x Nodes - Networks N1 x N2}
542 \end{center}
543 \end{figure}
544
545
546
547 %\begin{wrapfigure}{l}{100mm}
548 \begin{figure} [ht!]
549 \centering
550 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
551 \caption{Cluster x Nodes N1 x N2}
552 \label{fig:02}
553 \end{figure}
554 %\end{wrapfigure}
555
556 These experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running first  on a
557 speed inter-cluster  network (N1) and  also on  a less performant  network (N2).
558 Figure~\ref{fig:02} shows that end users will  gain to reduce the execution time
559 for  both  algorithms  in using  a  grid  architecture  like  4x16 or  8x8:  the
560 performance was increased  in a factor of  2. The results depict  also that when
561 the  network speed  drops down  (12.5\%), the  difference between  the execution
562 times can reach more than 25\%. \RC{c'est pas clair : la différence entre quoi et quoi?}
563
564 \subsubsection{Network latency impacts on performance}
565 \ \\
566 \begin{figure} [ht!]
567 \centering
568 \begin{tabular}{r c }
569  \hline
570  Grid & 2x16\\ %\hline
571  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
572  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
573  \end{tabular}
574 \caption{Network latency impact}
575 \end{figure}
576
577
578
579 \begin{figure} [ht!]
580 \centering
581 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
582 \caption{Network latency impact on execution time}
583 \label{fig:03}
584 \end{figure}
585
586
587 According  the results  in  Figure~\ref{fig:03}, a  degradation  of the  network
588 latency from 8.10$^{-6}$  to 6.10$^{-5}$ implies an absolute  time increase more
589 than 75\%  (resp. 82\%) of the  execution for the classical  GMRES (resp. Krylov
590 multisplitting)   algorithm.   In   addition,   it  appears   that  the   Krylov
591 multisplitting method tolerates  more the network latency variation  with a less
592 rate  increase  of  the  execution   time.   Consequently,  in  the  worst  case
593 (lat=6.10$^{-5 }$), the  execution time for GMRES is almost  the double than the
594 time of the Krylov multisplitting, even  though, the performance was on the same
595 order of magnitude with a latency of 8.10$^{-6}$.
596
597 \subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
598 \ \\
599 \begin{figure} [ht!]
600 \centering
601 \begin{tabular}{r c }
602  \hline
603  Grid & 2x16\\ %\hline
604  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
605  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
606  \end{tabular}
607 \caption{Network bandwidth impact}
608 \end{figure}
609
610
611 \begin{figure} [ht!]
612 \centering
613 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
614 \caption{Network bandwith impact on execution time}
615 \label{fig:04}
616 \end{figure}
617
618
619
620 The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
621 performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
622 Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
623 presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
624 of 40\% which is only around 24\% for classical GMRES.
625
626 \subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
627 \ \\
628 \begin{figure} [ht!]
629 \centering
630 \begin{tabular}{r c }
631  \hline
632  Grid & 4x8\\ %\hline
633  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ 
634  Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
635  \end{tabular}
636 \caption{Input matrix size impact}
637 \end{figure}
638
639
640 \begin{figure} [ht!]
641 \centering
642 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
643 \caption{Problem size impact on execution time}
644 \label{fig:05}
645 \end{figure}
646
647 In these experiments, the input matrix size  has been set from N$_{x}$ = N$_{y}$
648 = N$_{z}$ = 40 to 200 side elements  that is from 40$^{3}$ = 64.000 to 200$^{3}$
649 = 8,000,000  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
650 time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
651 But the interesting results are:
652 \begin{enumerate}
653   \item the drastic increase (300 times) \RC{Je ne vois pas cela sur la figure}
654 of the  number of  iterations needed  to reach the  convergence for  the classical
655 GMRES algorithm when  the matrix size go beyond N$_{x}$=150;
656 \item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for N$_{x}$=140
657   compared with the Krylov multisplitting method.
658 \end{enumerate}
659
660 These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
661 targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
662 size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
663 grid 2x16 leading to the same conclusion.
664
665 \subsubsection{CPU Power impact on performance}
666
667 \begin{figure} [ht!]
668 \centering
669 \begin{tabular}{r c }
670  \hline
671  Grid & 2x16\\ %\hline
672  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
673  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
674  \end{tabular}
675 \caption{CPU Power impact}
676 \end{figure}
677
678 \begin{figure} [ht!]
679 \centering
680 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
681 \caption{CPU Power impact on execution time}
682 \label{fig:06}
683 \end{figure}
684
685 Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
686 on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
687 from 1  to 19 GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
688 performance gain,  around 95\% for  both of the  two methods, after  adding more
689 powerful CPU.
690
691 \subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
692
693 The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
694 of the application before any deployment in a real environment.  We have focused
695 the study on analyzing the performance  in varying the key factors impacting the
696 results. The study compares the performance  of the two proposed algorithms both
697 in  \textit{synchronous mode  }. In  this section,  following the  same previous
698 methodology, the  goal is  to demonstrate the  efficiency of  the multisplitting
699 method in \textit{ asynchronous mode}  compared with the classical GMRES staying
700 in \textit{synchronous mode}.
701
702 Note that the interest of using the asynchronous mode for data exchange
703 is mainly, in opposite of the synchronous mode, the non-wait aspects of
704 the current computation after a communication operation like sending
705 some data between nodes. Each processor can continue their local
706 calculation without waiting for the end of the communication. Thus, the
707 asynchronous may theoretically reduce the overall execution time and can
708 improve the algorithm performance.
709
710 As stated supra, Simgrid simulator tool has been used to prove the
711 efficiency of the multisplitting in asynchronous mode and to find the
712 best combination of the grid resources (CPU, Network, input matrix size,
713 \ldots ) to get the highest \textit{"relative gain"} (exec\_time$_{GMRES}$ / exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
714
715
716 The test conditions are summarized in the table below : \\
717
718 % environment
719 \begin{footnotesize}
720 \begin{tabular}{r c }
721  \hline
722  Grid & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
723  Processors Power & 1 GFlops to 1.5 GFlops\\
724    Intra-Network & bw=1.25 Gbits - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
725    Inter-Network & bw=5 Mbits - lat=2.10$^{-2}$\\
726  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
727  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
728  \end{tabular}
729 \end{footnotesize}
730
731 Again, comprehensive and extensive tests have been conducted varying the
732 CPU power and the network parameters (bandwidth and latency) in the
733 simulator tool with different problem size. The relative gains greater
734 than 1 between the two algorithms have been captured after each step of
735 the test. Table 7 below has recorded the best grid configurations
736 allowing the multisplitting method execution time more performant 2.5 times than
737 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.
738
739 % use the same column width for the following three tables
740 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
741 \newenvironment{mytable}[1]{% #1: number of columns for data
742   \renewcommand{\arraystretch}{1.3}%
743   \begin{tabular}{|>{\bfseries}r%
744                   |*{#1}{>{\centering\arraybackslash}p{\mytablew}|}}}{%
745     \end{tabular}}
746
747
748 \begin{table}[!t]
749   \centering
750 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
751 %  \label{"Table 7"}
752 Table 7. Relative gain of the multisplitting algorithm compared with
753 the classical GMRES \\
754
755   \begin{mytable}{11}
756     \hline
757     bandwidth (Mbit/s)
758     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
759     \hline
760     latency (ms)
761     & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 & 20      & 20      & 20      & 20      & 20 \\
762     \hline
763     power (GFlops)
764     & 1    & 1    & 1    & 1.5       & 1.5  & 1.5         & 1.5         & 1         & 1.5       & 1.5 \\
765     \hline
766     size (N)
767     & 62  & 62   & 62        & 100       & 100 & 110       & 120       & 130       & 140       & 150 \\
768     \hline
769     Precision
770     & \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}\\
771     \hline
772     Relative gain
773     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
774     \hline
775   \end{mytable}
776 \end{table}
777
778 \section{Conclusion}
779 CONCLUSION
780
781
782 \section*{Acknowledgment}
783
784 This work is partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
785
786
787 \bibliographystyle{wileyj}
788 \bibliography{biblio}
789
790 \end{document}
791
792 %%% Local Variables:
793 %%% mode: latex
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795 %%% fill-column: 80
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797 %%% End: