]> AND Private Git Repository - rce2015.git/blobdiff - paper.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
Merge branch 'master' of ssh://bilbo.iut-bm.univ-fcomte.fr/rce2015
[rce2015.git] / paper.tex
index 2c9b309bc9661048b70b46078c0ea028777afef9..1f9b49c8d483e935c75bb544602bf1ed04aeb379 100644 (file)
--- a/paper.tex
+++ b/paper.tex
@@ -96,20 +96,21 @@ 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
 tool which allows us to change many parameters of the architecture (network
 bandwidth, latency, number of processors) and to simulate the execution of such
-applications. We have decided to use SimGrid as it enables to benchmark MPI
-applications.
+applications. The main contribution of this paper is to show that the use of a
+simulation tool (here we have decided to use the SimGrid toolkit) can really
+help developpers to better tune their applications for a given multi-core
+architecture.
 
-In this paper, we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
+In particular we focus our attention on two parallel iterative algorithms based
 on the  Multisplitting algorithm  and we  compare them  to the  GMRES algorithm.
-These algorithms  are used to  solve libear  systems. Two different  variants of
+These algorithms  are used to  solve linear  systems. Two different  variants of
 the Multisplitting are studied: one  using synchronoous  iterations and  another
-one  with asynchronous iterations. For each algorithm we have  tested different
-parameters to see their influence.  We strongly  recommend people  interested
-by investing  into a  new expensive  hardware  architecture  to   benchmark
-their  applications  using  a simulation tool before.
-
-
-
+one  with asynchronous iterations. For each algorithm we have simulated
+different architecture parameters to evaluate their influence on the overall
+execution time.  The obtain simulated results confirm the real results
+previously obtained on different real multi-core architectures and also confirm
+the efficiency of the asynchronous multisplitting algorithm compared to the
+synchronous GMRES method.
 
 \end{abstract}
 
@@ -518,26 +519,28 @@ multisplitting method.
 \end{figure}
 
 
-The execution time difference between the two algorithms is important when
-comparing between different grid architectures, even with the same number of
-processors (like 2x16 and 4x8 = 32 processors for example). The
-experiment concludes the low sensitivity of the multisplitting method
-(compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors in the grid: in average, the GMRES (resp. Multisplitting) algorithm performs 40\% better (resp. 48\%) less when running from 2x16=32 to 8x8=64 processors.
+The execution  times between  the two algorithms  is significant  with different
+grid architectures, even  with the same number of processors  (for example, 2x16
+and  4x8). We  can  observ  the low  sensitivity  of  the Krylov multisplitting  method
+(compared with the classical GMRES) when scaling up the number of the processors
+in the  grid: in  average, the GMRES  (resp. Multisplitting)  algorithm performs
+40\% better (resp. 48\%) less when running from 2x16=32 to 8x8=64 processors.
 
-\textit{\\3.b Running on two different speed cluster inter-networks\\}
+\subsubsection{Running on two different speed cluster inter-networks}
+\ \\
 
-% environment
-\begin{footnotesize}
+\begin{figure} [ht!]
+\begin{center}
 \begin{tabular}{r c }
  \hline
  Grid & 2x16, 4x8\\ %\hline
  Network & N1 : bw=10Gbs-lat=8.10$^{-6}$ \\ %\hline
  - & N2 : bw=1Gbs-lat=5.10$^{-5}$ \\
- Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
+ Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline 
  \end{tabular}
-Table 2 : Clusters x Nodes - Networks N1 x N2 \\
-
- \end{footnotesize}
+\caption{Clusters x Nodes - Networks N1 x N2}
+\end{center}
+\end{figure}
 
 
 
@@ -546,31 +549,30 @@ Table 2 : Clusters x Nodes - Networks N1 x N2 \\
 \centering
 \includegraphics[width=100mm]{cluster_x_nodes_n1_x_n2.pdf}
 \caption{Cluster x Nodes N1 x N2}
-%\label{overflow}}
+\label{fig:02}
 \end{figure}
 %\end{wrapfigure}
 
-The experiments compare the behavior of the algorithms running first on
-a speed inter- cluster network (N1) and also on a less performant network (N2).
-Figure 4 shows that end users will gain to reduce the execution time
-for both algorithms in using a grid architecture like 4x16 or 8x8: the
-performance was increased in a factor of 2. The results depict also that
-when the network speed drops down (12.5\%), the difference between the execution
-times can reach more than 25\%.
-
-\textit{\\3.c Network latency impacts on performance\\}
+These experiments  compare the  behavior of  the algorithms  running first  on a
+speed inter-cluster  network (N1) and  also on  a less performant  network (N2).
+Figure~\ref{fig:02} shows that end users will  gain to reduce the execution time
+for  both  algorithms  in using  a  grid  architecture  like  4x16 or  8x8:  the
+performance was increased  in a factor of  2. The results depict  also that when
+the  network speed  drops down  (12.5\%), the  difference between  the execution
+times can reach more than 25\%. \RC{c'est pas clair : la différence entre quoi et quoi?}
 
-% environment
-\begin{footnotesize}
+\subsubsection{Network latency impacts on performance}
+\ \\
+\begin{figure} [ht!]
+\centering
 \begin{tabular}{r c }
  \hline
  Grid & 2x16\\ %\hline
  Network & N1 : bw=1Gbs \\ %\hline
- Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline\\
+ Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline
  \end{tabular}
-Table 3 : Network latency impact \\
-
-\end{footnotesize}
+\caption{Network latency impact}
+\end{figure}
 
 
 
@@ -578,142 +580,141 @@ Table 3 : Network latency impact \\
 \centering
 \includegraphics[width=100mm]{network_latency_impact_on_execution_time.pdf}
 \caption{Network latency impact on execution time}
-%\label{overflow}}
+\label{fig:03}
 \end{figure}
 
 
-According the results in figure 5, degradation of the network
-latency from 8.10$^{-6}$ to 6.10$^{-5}$ implies an absolute time
-increase more than 75\% (resp. 82\%) of the execution for the classical
-GMRES (resp. multisplitting) algorithm. In addition, it appears that the
-multisplitting method tolerates more the network latency variation with
-a less rate increase of the execution time. Consequently, in the worst case (lat=6.10$^{-5
-}$), the execution time for GMRES is almost the double of the time for
-the multisplitting, even though, the performance was on the same order
-of magnitude with a latency of 8.10$^{-6}$.
-
-\textit{\\3.d Network bandwidth impacts on performance\\}
+According  the results  in  Figure~\ref{fig:03}, a  degradation  of the  network
+latency from 8.10$^{-6}$  to 6.10$^{-5}$ implies an absolute  time increase more
+than 75\%  (resp. 82\%) of the  execution for the classical  GMRES (resp. Krylov
+multisplitting)   algorithm.   In   addition,   it  appears   that  the   Krylov
+multisplitting method tolerates  more the network latency variation  with a less
+rate  increase  of  the  execution   time.   Consequently,  in  the  worst  case
+(lat=6.10$^{-5 }$), the  execution time for GMRES is almost  the double than the
+time of the Krylov multisplitting, even  though, the performance was on the same
+order of magnitude with a latency of 8.10$^{-6}$.
 
-% environment
-\begin{footnotesize}
+\subsubsection{Network bandwidth impacts on performance}
+\ \\
+\begin{figure} [ht!]
+\centering
 \begin{tabular}{r c }
  \hline
  Grid & 2x16\\ %\hline
  Network & N1 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
  Input matrix size & N$_{x}$ x N$_{y}$ x N$_{z}$ =150 x 150 x 150\\ \hline \\
  \end{tabular}
-Table 4 : Network bandwidth impact \\
-
-\end{footnotesize}
+\caption{Network bandwidth impact}
+\end{figure}
 
 
 \begin{figure} [ht!]
 \centering
 \includegraphics[width=100mm]{network_bandwith_impact_on_execution_time.pdf}
 \caption{Network bandwith impact on execution time}
-%\label{overflow}
+\label{fig:04}
 \end{figure}
 
 
 
-The results of increasing the network bandwidth show the improvement
-of the performance for both of the two algorithms by reducing the execution time (Figure 6). However, and again in this case, the multisplitting method presents a better performance in the considered bandwidth interval with a gain of 40\% which is only around 24\% for classical GMRES.
-
-\textit{\\3.e Input matrix size impacts on performance\\}
+The results  of increasing  the network  bandwidth show  the improvement  of the
+performance  for   both  algorithms   by  reducing   the  execution   time  (see
+Figure~\ref{fig:04}). However,  in this  case, the Krylov  multisplitting method
+presents a better  performance in the considered bandwidth interval  with a gain
+of 40\% which is only around 24\% for classical GMRES.
 
-% environment
-\begin{footnotesize}
+\subsubsection{Input matrix size impacts on performance}
+\ \\
+\begin{figure} [ht!]
+\centering
 \begin{tabular}{r c }
  \hline
  Grid & 4x8\\ %\hline
- Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
- Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline \\
+ Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ 
+ Input matrix size & N$_{x}$ = From 40 to 200\\ \hline
  \end{tabular}
-Table 5 : Input matrix size impact\\
-
-\end{footnotesize}
+\caption{Input matrix size impact}
+\end{figure}
 
 
 \begin{figure} [ht!]
 \centering
 \includegraphics[width=100mm]{pb_size_impact_on_execution_time.pdf}
-\caption{Pb size impact on execution time}
-%\label{overflow}}
+\caption{Problem size impact on execution time}
+\label{fig:05}
 \end{figure}
 
-In this experimentation, the input matrix size has been set from
-N$_{x}$ = N$_{y}$ = N$_{z}$ = 40 to 200 side elements that is from 40$^{3}$ = 64.000 to
-200$^{3}$ = 8.000.000 points. Obviously, as shown in the figure 7,
-the execution time for the two algorithms convergence increases with the
-iinput matrix size. But the interesting results here direct on (i) the
-drastic increase (300 times) of the number of iterations needed before
-the convergence for the classical GMRES algorithm when the matrix size
-go beyond N$_{x}$=150; (ii) the classical GMRES execution time also almost
-the double from N$_{x}$=140 compared with the convergence time of the
-multisplitting method. These findings may help a lot end users to setup
-the best and the optimal targeted environment for the application
-deployment when focusing on the problem size scale up. Note that the
-same test has been done with the grid 2x16 getting the same conclusion.
-
-\textit{\\3.f CPU Power impact on performance\\}
+In these experiments, the input matrix size  has been set from N$_{x}$ = N$_{y}$
+= N$_{z}$ = 40 to 200 side elements  that is from 40$^{3}$ = 64.000 to 200$^{3}$
+= 8,000,000  points. Obviously, as  shown in Figure~\ref{fig:05},  the execution
+time for  both algorithms increases when  the input matrix size  also increases.
+But the interesting results are:
+\begin{enumerate}
+  \item the drastic increase (300 times) \RC{Je ne vois pas cela sur la figure}
+of the  number of  iterations needed  to reach the  convergence for  the classical
+GMRES algorithm when  the matrix size go beyond N$_{x}$=150;
+\item the  classical GMRES execution time  is almost the double  for N$_{x}$=140
+  compared with the Krylov multisplitting method.
+\end{enumerate}
 
-% environment
-\begin{footnotesize}
+These  findings may  help a  lot end  users to  setup the  best and  the optimal
+targeted environment for the application deployment when focusing on the problem
+size scale up.  It  should be noticed that the same test has  been done with the
+grid 2x16 leading to the same conclusion.
+
+\subsubsection{CPU Power impact on performance}
+
+\begin{figure} [ht!]
+\centering
 \begin{tabular}{r c }
  \hline
  Grid & 2x16\\ %\hline
  Network & N2 : bw=1Gbs - lat=5.10$^{-5}$ \\ %\hline
  Input matrix size & N$_{x}$ = 150 x 150 x 150\\ \hline
  \end{tabular}
-Table 6 : CPU Power impact \\
-
-\end{footnotesize}
-
+\caption{CPU Power impact}
+\end{figure}
 
 \begin{figure} [ht!]
 \centering
 \includegraphics[width=100mm]{cpu_power_impact_on_execution_time.pdf}
 \caption{CPU Power impact on execution time}
-%\label{overflow}}
-s\end{figure}
-
-Using the Simgrid simulator flexibility, we have tried to determine the
-impact on the algorithms performance in varying the CPU power of the
-clusters nodes from 1 to 19 GFlops. The outputs depicted in the figure 6
-confirm the performance gain, around 95\% for both of the two methods,
-after adding more powerful CPU.
-
-\subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and
-Multisplitting algorithms in asynchronous mode}
-
-The previous paragraphs put in evidence the interests to simulate the
-behavior of the application before any deployment in a real environment.
-We have focused the study on analyzing the performance in varying the
-key factors impacting the results. The study compares
-the performance of the two proposed algorithms both in \textit{synchronous mode
-}. In this section, following the same previous methodology, the goal is to
-demonstrate the efficiency of the multisplitting method in \textit{
-asynchronous mode} compared with the classical GMRES staying in
-\textit{synchronous mode}.
-
-Note that the interest of using the asynchronous mode for data exchange
-is mainly, in opposite of the synchronous mode, the non-wait aspects of
-the current computation after a communication operation like sending
-some data between nodes. Each processor can continue their local
-calculation without waiting for the end of the communication. Thus, the
-asynchronous may theoretically reduce the overall execution time and can
-improve the algorithm performance.
-
-As stated supra, Simgrid simulator tool has been used to prove the
-efficiency of the multisplitting in asynchronous mode and to find the
-best combination of the grid resources (CPU, Network, input matrix size,
-\ldots ) to get the highest \textit{"relative gain"} (exec\_time$_{GMRES}$ / exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
+\label{fig:06}
+\end{figure}
+
+Using the Simgrid  simulator flexibility, we have tried to  determine the impact
+on the  algorithms performance in  varying the CPU  power of the  clusters nodes
+from 1  to 19 GFlops.  The outputs  depicted in Figure~\ref{fig:06}  confirm the
+performance gain,  around 95\% for  both of the  two methods, after  adding more
+powerful CPU.
+
+\subsection{Comparing GMRES in native synchronous mode and the multisplitting algorithm in asynchronous mode}
+
+The previous paragraphs  put in evidence the interests to  simulate the behavior
+of  the application  before  any  deployment in  a  real  environment.  In  this
+section, following  the same previous  methodology, our  goal is to  compare the
+efficiency of the multisplitting method  in \textit{ asynchronous mode} with the
+classical GMRES in \textit{synchronous mode}.
+
+The  interest of  using  an asynchronous  algorithm  is that  there  is no  more
+synchronization. With  geographically distant  clusters, this may  be essential.
+In  this case,  each  processor can  compute its  iteration  freely without  any
+synchronization  with   the  other   processors.  Thus,  the   asynchronous  may
+theoretically reduce  the overall execution  time and can improve  the algorithm
+performance.
+
+\RC{la phrase suivante est bizarre, je ne comprends pas pourquoi elle vient ici}
+As stated before, the Simgrid simulator tool has been successfully used to show
+the efficiency of  the multisplitting in asynchronous mode and  to find the best
+combination of the grid resources (CPU,  Network, input matrix size, \ldots ) to
+get    the   highest    \textit{"relative    gain"}   (exec\_time$_{GMRES}$    /
+exec\_time$_{multisplitting}$) in comparison with the classical GMRES time.
 
 
 The test conditions are summarized in the table below : \\
 
-% environment
-\begin{footnotesize}
+\begin{figure} [ht!]
+\centering
 \begin{tabular}{r c }
  \hline
  Grid & 2x50 totaling 100 processors\\ %\hline
@@ -723,15 +724,17 @@ The test conditions are summarized in the table below : \\
  Input matrix size & N$_{x}$ = From 62 to 150\\ %\hline
  Residual error precision & 10$^{-5}$ to 10$^{-9}$\\ \hline \\
  \end{tabular}
-\end{footnotesize}
+\end{figure}
 
-Again, comprehensive and extensive tests have been conducted varying the
-CPU power and the network parameters (bandwidth and latency) in the
-simulator tool with different problem size. The relative gains greater
-than 1 between the two algorithms have been captured after each step of
-the test. Table 7 below has recorded the best grid configurations
-allowing the multisplitting method execution time more performant 2.5 times than
-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.
+Again,  comprehensive and  extensive tests  have been  conducted with  different
+parametes as  the CPU power, the  network parameters (bandwidth and  latency) in
+the simulator tool  and with different problem size. The  relative gains greater
+than 1  between the  two algorithms have  been captured after  each step  of the
+test.   In  Figure~\ref{table:01}  are  reported the  best  grid  configurations
+allowing the  multisplitting method to  be more than  2.5 times faster  than the
+classical  GMRES.  These  experiments also  show the  relative tolerance  of the
+multisplitting algorithm when using a low speed network as usually observed with
+geographically distant clusters throuth the internet.
 
 % use the same column width for the following three tables
 \newlength{\mytablew}\settowidth{\mytablew}{\footnotesize\np{E-11}}
@@ -742,14 +745,12 @@ the classical GMRES execution and convergence time. The experimentation has demo
     \end{tabular}}
 
 
-\begin{table}[!t]
-  \centering
+\begin{figure}[!t]
+\centering
+%\begin{table}
 %  \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
 %  \label{"Table 7"}
-Table 7. Relative gain of the multisplitting algorithm compared with
-the classical GMRES \\
-
-  \begin{mytable}{11}
+ \begin{mytable}{11}
     \hline
     bandwidth (Mbit/s)
     & 5     & 5     & 5         & 5         & 5  & 50        & 50        & 50        & 50        & 50 \\
@@ -770,7 +771,11 @@ the classical GMRES \\
     & 2.52     & 2.55     & 2.52     & 2.57     & 2.54 & 2.53     & 2.51     & 2.58     & 2.55     & 2.54 \\
     \hline
   \end{mytable}
-\end{table}
+%\end{table}
+ \caption{Relative gain of the multisplitting algorithm compared with the classical GMRES}
+ \label{table:01}
+\end{figure}
+
 
 \section{Conclusion}
 CONCLUSION