02 A fully asynchronous multifrontal solver using distributed dynamic scheduling.pdf

7/28/2019 02 A fully asynchronous multifrontal solver using distributed dynamic scheduling.pdf

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R A L - T R - 1 9 9 9 - 0 5 9

A f u l l y a s y n c h r o n o u s m u l t i f r o n t a l s o l v e r u s i n g d i s t r i b u t e d

d y n a m i c s c h e d u l i n g

1

P a t r i c k R . A m e s t o y

2

, I a i n S . D u

3

, J e a n - Y v e s L ' E x c e l l e n t

4

a n d J a c k o K o s t e r

5

A B S T R A C T

W e d e s c r i b e t h e m a i n f e a t u r e s a n d d i s c u s s t h e t u n i n g o f a l g o r i t h m s f o r t h e d i r e c t s o l u t i o n

o f s p a r s e l i n e a r s y s t e m s o n d i s t r i b u t e d m e m o r y c o m p u t e r s d e v e l o p e d i n t h e c o n t e x t o f

P A R A S O L ( E S P R I T I V L T R P r o j e c t ( N o 2 0 1 6 0 ) ) . T h e a l g o r i t h m s u s e a m u l t i f r o n t a l

a p p r o a c h a n d a r e e s p e c i a l l y d e s i g n e d t o c o v e r a l a r g e c l a s s o f p r o b l e m s . T h e p r o b l e m s c a n

b e s y m m e t r i c p o s i t i v e d e n i t e , g e n e r a l s y m m e t r i c , o r u n s y m m e t r i c m a t r i c e s , a l l p o s s i b l y

r a n k d e c i e n t , a n d t h e y c a n b e p r o v i d e d b y t h e u s e r i n s e v e r a l f o r m a t s . T h e a l g o r i t h m s

a c h i e v e h i g h p e r f o r m a n c e b y e x p l o i t i n g p a r a l l e l i s m c o m i n g f r o m t h e s p a r s i t y i n t h e p r o b l e m

a n d t h a t a v a i l a b l e f o r d e n s e m a t r i c e s . T h e a l g o r i t h m s u s e a d y n a m i c d i s t r i b u t e d t a s k

s c h e d u l i n g t e c h n i q u e t o a c c o m m o d a t e n u m e r i c a l p i v o t i n g a n d t o a l l o w t h e m i g r a t i o n o f

c o m p u t a t i o n a l t a s k s t o l i g h t l y l o a d e d p r o c e s s o r s . L a r g e c o m p u t a t i o n a l t a s k s a r e d i v i d e d

i n t o s u b t a s k s t o e n h a n c e p a r a l l e l i s m . A s y n c h r o n o u s c o m m u n i c a t i o n i s u s e d t h r o u g h o u t

t h e s o l u t i o n p r o c e s s f o r t h e e c i e n t o v e r l a p o f c o m m u n i c a t i o n a n d c o m p u t a t i o n .

W e i l l u s t r a t e o u r d e s i g n c h o i c e s b y e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o b t a i n e d o n a C r a y S G I O r i g i n

2 0 0 0 a n d a n I B M S P 2 f o r t e s t m a t r i c e s p r o v i d e d b y i n d u s t r i a l p a r t n e r s i n t h e P A R A S O L

p r o j e c t .

K e y w o r d s : M P I , d i s t r i b u t e d m e m o r y a r c h i t e c t u r e , s p a r s e m a t r i c e s , m a t r i x f a c t o r i z a t i o n ,

m u l t i f r o n t a l m e t h o d s .

A M S ( M O S ) s u b j e c t c l a s s i c a t i o n s : 6 5 F 0 5 , 6 5 F 5 0 .

1

T h i s w o r k h a s b e e n p a r t i a l l y s u p p o r t e d b y t h e P A R A S O L p r o j e c t ( E U E S P R I T I V L T R

P r o j e c t 2 0 1 6 0 ) . C u r r e n t r e p o r t s a v a i l a b l e b y a n o n y m o u s f t p t o f t p . n u m e r i c a l . r l . a c . u k i n d i r e c t o r y

p u b / r e p o r t s . T h i s r e p o r t i s i n l e a d e k R A L 9 9 0 5 9 . p s . g z . R e p o r t a l s o a v a i l a b l e t h r o u g h U R L

h t t p : / / w w w . n u m e r i c a l . r l . a c . u k / r e p o r t s / r e p o r t s . h t m l . A l s o p u b l i s h e d a s T e c h n i c a l R e p o r t T R / P A / 9 9 / 2 8

f r o m C E R F A C S , 4 2 A v e G . C o r i o l i s , 3 1 0 5 7 T o u l o u s e C e d e x , F r a n c e . A n e a r l i e r v e r s i o n o f t h i s r e p o r t

w a s p u b l i s h e d a s R e p o r t R T / A P O / 9 9 / 0 2 f r o m E N S E E I H T - I R I T , T o u l o u s e .

2

a m e s t o y @ e n s e e i h t . f r , E N S E E I H T - I R I T , 2 r u e C a m i c h e l , T o u l o u s e , F r a n c e .

3

I . D u @ r l . a c . u k , R u t h e r f o r d A p p l e t o n L a b o r a t o r y , a n d C E R F A C S , F r a n c e .

4

e x c e l l e @ c e r f a c s . f r , C E R F A C S a n d E N S E E I H T - I R I T , T o u l o u s e .

5

J . K o s t e r @ r l . a c . u k , R u t h e r f o r d A p p l e t o n L a b o r a t o r y .

C o m p u t a t i o n a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t

A t l a s C e n t r e

R u t h e r f o r d A p p l e t o n L a b o r a t o r y

O x o n O X 1 1 0 Q X

J u n e 3 0 , 1 9 9 9 .


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C o n t e n t s

1 I n t r o d u c t i o n 1

2 M u l t i f r o n t a l m e t h o d s 2

3 T e s t p r o b l e m s 3

4 P a r a l l e l i m p l e m e n t a t i o n i s s u e s 7

4 . 1 S o u r c e s o f p a r a l l e l i s m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4 . 2 T y p e 2 p a r a l l e l i s m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4 . 3 T y p e 3 p a r a l l e l i s m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4 . 4 P a r a l l e l t r i a n g u l a r s o l u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0

5 B a s i c p e r f o r m a n c e a n d i n u e n c e o f o r d e r i n g 1 0

6 E l e m e n t a l i n p u t m a t r i x f o r m a t 1 3

7 D i s t r i b u t e d a s s e m b l e d m a t r i x 1 7

8 M e m o r y s c a l a b i l i t y i s s u e s 1 9

9 D y n a m i c s c h e d u l i n g s t r a t e g i e s 2 2

1 0 S p l i t t i n g n o d e s o f t h e a s s e m b l y t r e e 2 5

1 1 S u m m a r y 2 8

i


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1 I n t r o d u c t i o n

W e c o n s i d e r t h e d i r e c t s o l u t i o n o f l a r g e s p a r s e l i n e a r s y s t e m s o n d i s t r i b u t e d m e m o r y c o m p u t e r s .

T h e s y s t e m s a r e o f t h e f o r m A x = b , w h e r e A i s a n n n s y m m e t r i c p o s i t i v e d e n i t e , g e n e r a l

s y m m e t r i c , o r u n s y m m e t r i c s p a r s e m a t r i x t h a t i s p o s s i b l y r a n k d e c i e n t , b i s t h e r i g h t - h a n d

s i d e v e c t o r , a n d x i s t h e s o l u t i o n v e c t o r t o b e c o m p u t e d .

T h e w o r k p r e s e n t e d i n t h i s a r t i c l e , h a s b e e n p e r f o r m e d a s W o r k P a c k a g e 2 1 w i t h i n t h e

P A R A S O L P r o j e c t . P A R A S O L i s a n E S P R I T I V L o n g T e r m R e s e a r c h P r o j e c t ( N o 2 0 1 6 0 ) f o r

\ A n I n t e g r a t e d E n v i r o n m e n t f o r P a r a l l e l S p a r s e M a t r i x S o l v e r s " . T h e m a i n g o a l o f t h i s P r o j e c t ,

w h i c h s t a r t e d o n J a n u a r y 1 9 9 6 a n d n i s h e s i n J u n e 1 9 9 9 , i s t o b u i l d a n d t e s t a p o r t a b l e l i b r a r y

f o r s o l v i n g l a r g e s p a r s e s y s t e m s o f e q u a t i o n s o n d i s t r i b u t e d m e m o r y s y s t e m s . T h e n a l l i b r a r y

w i l l b e i n t h e p u b l i c d o m a i n a n d w i l l c o n t a i n r o u t i n e s f o r b o t h t h e d i r e c t a n d i t e r a t i v e s o l u t i o n

o f s y m m e t r i c a n d u n s y m m e t r i c s y s t e m s .

I n t h e c o n t e x t o f P A R A S O L , w e h a v e p r o d u c e d a M U l t i f r o n t a l M a s s i v e l y P a r a l l e l S o l v e r 2 7 , 2 8 ]

r e f e r r e d t o a s M U M P S i n t h e r e m a i n d e r o f t h i s p a p e r . S e v e r a l a s p e c t s o f t h e a l g o r i t h m s u s e d i n

M U M P S c o m b i n e t o g i v e a n a p p r o a c h w h i c h i s u n i q u e a m o n g s p a r s e d i r e c t s o l v e r s . T h e s e i n c l u d e :

c l a s s i c a l p a r t i a l n u m e r i c a l p i v o t i n g d u r i n g n u m e r i c a l f a c t o r i z a t i o n r e q u i r i n g t h e u s e o f

d y n a m i c d a t a s t r u c t u r e s ,

t h e a b i l i t y t o a u t o m a t i c a l l y a d a p t t o c o m p u t e r l o a d v a r i a t i o n s d u r i n g t h e n u m e r i c a l p h a s e ,

h i g h p e r f o r m a n c e , b y e x p l o i t i n g t h e i n d e p e n d e n c e o f c o m p u t a t i o n s d u e t o s p a r s i t y a n d

t h a t a v a i l a b l e f o r d e n s e m a t r i c e s , a n d

t h e c a p a b i l i t y o f s o l v i n g a w i d e r a n g e o f p r o b l e m s , i n c l u d i n g s y m m e t r i c , u n s y m m e t r i c ,

a n d r a n k - d e c i e n t s y s t e m s u s i n g e i t h e r L U o r L D L

T

f a c t o r i z a t i o n .

T o a d d r e s s a l l t h e s e f a c t o r s , w e h a v e d e s i g n e d a f u l l y a s y n c h r o n o u s a l g o r i t h m b a s e d o n a

m u l t i f r o n t a l a p p r o a c h w i t h d i s t r i b u t e d d y n a m i c s c h e d u l i n g o f t a s k s . T h e c u r r e n t v e r s i o n o f

o u r p a c k a g e p r o v i d e s a l a r g e r a n g e o f o p t i o n s , i n c l u d i n g t h e p o s s i b i l i t y o f i n p u t t i n g t h e m a t r i x

i n a s s e m b l e d f o r m a t e i t h e r o n a s i n g l e p r o c e s s o r o r d i s t r i b u t e d o v e r t h e p r o c e s s o r s . A d d i t i o n a l l y ,

t h e m a t r i x c a n b e i n p u t i n e l e m e n t a l f o r m a t ( c u r r e n t l y o n l y o n o n e p r o c e s s o r ) . M U M P S c a n a l s o

d e t e r m i n e t h e r a n k a n d a n u l l - s p a c e b a s i s f o r r a n k - d e c i e n t m a t r i c e s , a n d c a n r e t u r n a S c h u r

c o m p l e m e n t m a t r i x . I t c o n t a i n s c l a s s i c a l p r e - a n d p o s t p r o c e s s i n g f a c i l i t i e s ; f o r e x a m p l e , m a t r i x

s c a l i n g , i t e r a t i v e r e n e m e n t , a n d e r r o r a n a l y s i s .

A m o n g t h e o t h e r w o r k o n d i s t r i b u t e d m e m o r y s p a r s e d i r e c t s o l v e r s o f w h i c h w e a r e a w a r e

7 , 1 0 , 1 2 , 2 2 , 2 3 , 2 4 ] , w e d o n o t k n o w o f a n y w i t h t h e s a m e c a p a b i l i t i e s a s t h e M U M P S s o l v e r .

B e c a u s e o f t h e d i c u l t y o f h a n d l i n g d y n a m i c d a t a s t r u c t u r e s e c i e n t l y , m o s t d i s t r i b u t e d

m e m o r y a p p r o a c h e s d o n o t p e r f o r m n u m e r i c a l p i v o t i n g d u r i n g t h e f a c t o r i z a t i o n p h a s e . I n s t e a d ,

t h e y a r e b a s e d o n a s t a t i c m a p p i n g o f t h e t a s k s a n d d a t a a n d d o n o t a l l o w t a s k m i g r a t i o n

d u r i n g n u m e r i c a l f a c t o r i z a t i o n . N u m e r i c a l p i v o t i n g c a n c l e a r l y b e a v o i d e d f o r s y m m e t r i c p o s i t i v e

d e n i t e m a t r i c e s . F o r u n s y m m e t r i c m a t r i c e s , D u a n d K o s t e r 1 8 , 1 9 ] h a v e d e s i g n e d a l g o r i t h m s

t o p e r m u t e l a r g e e n t r i e s o n t o t h e d i a g o n a l a n d h a v e s h o w n t h a t t h i s c a n s i g n i c a n t l y r e d u c e

n u m e r i c a l p i v o t i n g . D e m m e l a n d L i 1 2 ] h a v e s h o w n t h a t , i f o n e p r e p r o c e s s e s t h e m a t r i x u s i n g

t h e c o d e o f D u a n d K o s t e r , s t a t i c p i v o t i n g ( w i t h p o s s i b l y m o d i e d d i a g o n a l v a l u e s ) f o l l o w e d

b y i t e r a t i v e r e n e m e n t c a n n o r m a l l y p r o v i d e r e a s o n a b l y a c c u r a t e s o l u t i o n s . T h e y h a v e o b s e r v e d

1


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t h a t t h i s p r e p r o c e s s i n g , i n c o m b i n a t i o n w i t h a n a p p r o p r i a t e s c a l i n g o f t h e i n p u t m a t r i x , i s a

k e y i s s u e f o r t h e n u m e r i c a l s t a b i l i t y o f t h e i r a p p r o a c h .

T h e r e s t o f t h i s p a p e r i s o r g a n i z e d a s f o l l o w s . W e r s t i n t r o d u c e s o m e o f t h e m a i n t e r m s

u s e d i n a m u l t i f r o n t a l a p p r o a c h i n S e c t i o n 2 . T h r o u g h o u t t h i s p a p e r , w e s t u d y t h e p e r f o r m a n c e

o b t a i n e d o n t h e s e t o f t e s t p r o b l e m s t h a t w e d e s c r i b e i n S e c t i o n 3 . W e d i s c u s s , i n S e c t i o n 4 , t h e

m a i n p a r a l l e l f e a t u r e s o f o u r a p p r o a c h . I n S e c t i o n 5 , w e g i v e i n i t i a l p e r f o r m a n c e g u r e s a n d w e

s h o w t h e i n u e n c e o f t h e o r d e r i n g o f t h e v a r i a b l e s o n t h e p e r f o r m a n c e o f M U M P S . I n S e c t i o n 6 ,

w e d e s c r i b e o u r w o r k o n a c c e p t i n g t h e i n p u t o f m a t r i c e s i n e l e m e n t a l f o r m . S e c t i o n 7 t h e n

b r i e y d e s c r i b e s t h e m a i n p r o p e r t i e s o f t h e a l g o r i t h m s u s e d f o r d i s t r i b u t e d a s s e m b l e d m a t r i c e s .

I n S e c t i o n 8 , w e c o m m e n t o n m e m o r y s c a l a b i l i t y i s s u e s . I n S e c t i o n 9 , w e d e s c r i b e a n d a n a l y s e

t h e d i s t r i b u t e d d y n a m i c s c h e d u l i n g s t r a t e g i e s t h a t w i l l b e f u r t h e r a n a l y s e d i n S e c t i o n 1 0 w h e r e

w e s h o w h o w w e c a n m o d i f y t h e a s s e m b l y t r e e t o i n t r o d u c e m o r e p a r a l l e l i s m . W e p r e s e n t a

s u m m a r y o f o u r r e s u l t s i n S e c t i o n 1 1 .

M o s t r e s u l t s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r h a v e b e e n o b t a i n e d o n t h e 3 5 p r o c e s s o r I B M S P 2

l o c a t e d a t G M D ( B o n n , G e r m a n y ) . E a c h n o d e o f t h i s c o m p u t e r i s a 6 6 M H e r t z p r o c e s s o r

w i t h 1 2 8 M B y t e s o f p h y s i c a l m e m o r y a n d 5 1 2 M B y t e s o f v i r t u a l m e m o r y . T h e S G I C r a y

O r i g i n 2 0 0 0 f r o m P a r a l l a b ( U n i v e r s i t y o f B e r g e n , N o r w a y ) h a s a l s o b e e n u s e d t o r u n s o m e

o f o u r l a r g e s t t e s t p r o b l e m s . T h e P a r a l l a b c o m p u t e r c o n s i s t s o f 6 4 n o d e s s h a r i n g 2 4 G B y t e s

o f p h y s i c a l l y d i s t r i b u t e d m e m o r y . E a c h n o d e h a s t w o R 1 0 0 0 0 M I P S R I S C 6 4 - b i t p r o c e s s o r s

s h a r i n g 3 8 4 M B y t e s o f l o c a l m e m o r y . E a c h p r o c e s s o r r u n s a t a f r e q u e n c y o f 1 9 5 M H e r t z a n d

h a s a p e a k p e r f o r m a n c e o f a l i t t l e u n d e r 4 0 0 M o p s p e r s e c o n d .

A l l e x p e r i m e n t s r e p o r t e d i n t h i s p a p e r u s e V e r s i o n 4 0 o f M U M P S . T h e s o f t w a r e i s w r i t t e n i n

F o r t r a n 9 0 . I t r e q u i r e s M P I f o r m e s s a g e p a s s i n g a n d m a k e s u s e o f B L A S 1 4 , 1 5 ] , L A P A C K

6 ] , B L A C S 1 3 ] , a n d S c a L A P A C K 9 ] s u b r o u t i n e s . O n t h e I B M S P 2 , w e a r e c u r r e n t l y u s i n g a

n o n - o p t i m i z e d p o r t a b l e l o c a l i n s t a l l a t i o n o f S c a L A P A C K , b e c a u s e t h e I B M o p t i m i z e d l i b r a r y

P E S S L V 2 i s n o t a v a i l a b l e .

2 M u l t i f r o n t a l m e t h o d s

I t i s n o t o u r i n t e n t i o n t o d e s c r i b e t h e d e t a i l s o f a m u l t i f r o n t a l m e t h o d . W e r a t h e r j u s t d e n e

t e r m s u s e d l a t e r i n t h e p a p e r a n d r e f e r t h e r e a d e r t o o u r e a r l i e r p u b l i c a t i o n s f o r a m o r e d e t a i l e d

d e s c r i p t i o n , f o r e x a m p l e 3 , 1 7 , 2 0 ] .

I n t h e m u l t i f r o n t a l m e t h o d , a l l e l i m i n a t i o n o p e r a t i o n s t a k e p l a c e w i t h i n d e n s e s u b m a t r i c e s ,

c a l l e d f r o n t a l m a t r i c e s . A f r o n t a l m a t r i x c a n b e p a r t i t i o n e d a s s h o w n i n F i g u r e 1 . I n t h i s

m a t r i x , p i v o t s c a n b e c h o s e n f r o m w i t h i n t h e b l o c k F

1 1

o n l y . T h e S c h u r c o m p l e m e n t m a t r i x

F

2 2

? F

2 1

F

? 1

1 1

F

1 2

i s c o m p u t e d a n d u s e d t o u p d a t e l a t e r r o w s a n d c o l u m n s o f t h e o v e r a l l m a t r i x .

W e c a l l t h i s u p d a t e m a t r i x , t h e c o n t r i b u t i o n b l o c k

f u l l y s u m m e d r o w s

p a r t l y s u m m e d r o w s

f u l l y s u m m e d c o l u m n s p a r t l y s u m m e d c o l u m n s

"

F

1 1

F

1 2

F

2 1

F

2 2

#

F i g u r e 1 : P a r t i t i o n i n g o f a f r o n t a l m a t r i x .

T h e o v e r a l l f a c t o r i z a t i o n o f t h e s p a r s e m a t r i x u s i n g a m u l t i f r o n t a l s c h e m e c a n b e d e s c r i b e d

2


5/32

b y a n a s s e m b l y t r e e , w h e r e e a c h n o d e c o r r e s p o n d s t o t h e c o m p u t a t i o n o f a S c h u r c o m p l e m e n t

a s j u s t d e s c r i b e d , a n d e a c h e d g e r e p r e s e n t s t h e t r a n s f e r o f t h e c o n t r i b u t i o n b l o c k f r o m t h e s o n

n o d e t o t h e f a t h e r n o d e i n t h e t r e e . T h i s f a t h e r n o d e a s s e m b l e s ( o r s u m s ) t h e c o n t r i b u t i o n

b l o c k s f r o m a l l i t s s o n n o d e s w i t h e n t r i e s f r o m t h e o r i g i n a l m a t r i x . I f t h e o r i g i n a l m a t r i x i s

g i v e n i n a s s e m b l e d f o r m a t , c o m p l e t e r o w s a n d c o l u m n s o f t h e i n p u t m a t r i x a r e a s s e m b l e d a t

o n c e , a n d , t o f a c i l i t a t e t h i s , t h e i n p u t m a t r i x i s o r d e r e d a c c o r d i n g t o t h e p i v o t o r d e r a n d s t o r e d

a s a c o l l e c t i o n o f a r r o w h e a d s . T h a t i s , i f t h e p e r m u t e d m a t r i x h a s e n t r i e s i n , f o r e x a m p l e ,

c o l u m n s f j

1

; j

2

; j

3

g o f r o w i , i < j

1

; j

2

; j

3

, a n d i n r o w s f k

1

; k

2

g o f c o l u m n i , i < k

1

; k

2

, t h e n

t h e a r r o w h e a d l i s t a s s o c i a t e d w i t h v a r i a b l e i i s f a

i i

; a

j

1

i

; a

j

2

i

; a

j

3

i

; a

i k

1

; a

i k

2

g . I n t h e s y m m e t r i c

c a s e , o n l y e n t r i e s f r o m t h e l o w e r t r i a n g u l a r p a r t o f t h e m a t r i x a r e s t o r e d . W e s a y t h a t w e

a r e s t o r i n g t h e m a t r i x i n a r r o w h e a d f o r m o r b y a r r o w h e a d s . F o r u n a s s e m b l e d m a t r i c e s ,

c o m p l e t e e l e m e n t m a t r i c e s a r e a s s e m b l e d i n t o t h e f r o n t a l m a t r i c e s a n d t h e i n p u t m a t r i x n e e d

n o t b e p r e p r o c e s s e d .

I n o u r i m p l e m e n t a t i o n , t h e a s s e m b l y t r e e i s c o n s t r u c t e d f r o m t h e s y m m e t r i z e d p a t t e r n o f

t h e m a t r i x a n d a g i v e n s p a r s i t y o r d e r i n g . B y s y m m e t r i z e d p a t t e r n , w e m e a n t h e p a t t e r n o f

t h e m a t r i x A + A

T

w h e r e t h e s u m m a t i o n i s s y m b o l i c . N o t e t h a t t h i s a l l o w s t h e m a t r i x t o b e

u n s y m m e t r i c .

B e c a u s e o f n u m e r i c a l p i v o t i n g , i t i s p o s s i b l e t h a t s o m e v a r i a b l e s c a n n o t b e e l i m i n a t e d f r o m

a f r o n t a l m a t r i x . T h e f u l l y s u m m e d r o w s a n d c o l u m n s t h a t c o r r e s p o n d t o s u c h v a r i a b l e s a r e

a d d e d t o t h e c o n t r i b u t i o n b l o c k t h a t i s s e n t t o t h e f a t h e r n o d e . T h e a s s e m b l y o f f u l l y s u m m e d

r o w s a n d c o l u m n s i n t o t h e f r o n t a l m a t r i x o f t h e f a t h e r n o d e m e a n s t h a t t h e c o r r e s p o n d i n g

e l i m i n a t i o n o p e r a t i o n s a r e d e l a y e d . T h i s w i l l b e r e p e a t e d u n t i l e l i m i n a t i o n s t e p s o n t h e l a t e r

f r o n t a l m a t r i c e s h a v e i n t r o d u c e d s t a b l e p i v o t s t o t h e d e l a y e d f u l l y s u m m e d p a r t . T h e d e l a y

o f e l i m i n a t i o n s t e p s c o r r e s p o n d s t o a n a p o s t e r i o r i m o d i c a t i o n o f t h e o r i g i n a l a s s e m b l y t r e e

s t r u c t u r e a n d i n g e n e r a l i n t r o d u c e s a d d i t i o n a l ( n u m e r i c a l ) l l - i n i n t h e f a c t o r s .

A n i m p o r t a n t a s p e c t o f t h e a s s e m b l y t r e e i s t h a t o p e r a t i o n s a t a p a i r o f n o d e s w h e r e n e i t h e r

i s a n a n c e s t o r o f t h e o t h e r a r e i n d e p e n d e n t . T h i s g i v e s t h e p o s s i b i l i t y f o r o b t a i n i n g p a r a l l e l i s m

f r o m t h e t r e e ( s o - c a l l e d t r e e p a r a l l e l i s m ) . F o r e x a m p l e , w o r k c a n c o m m e n c e i n p a r a l l e l o n a l l

t h e l e a f n o d e s o f t h e t r e e . F o r t u n a t e l y , n e a r t h e r o o t n o d e o f t h e t r e e , w h e r e t h e t r e e p a r a l l e l i s m

i s v e r y p o o r , t h e f r o n t a l m a t r i c e s a r e u s u a l l y m u c h l a r g e r a n d s o t e c h n i q u e s f o r e x p l o i t i n g

p a r a l l e l i s m i n d e n s e f a c t o r i z a t i o n s c a n b e u s e d ( f o r e x a m p l e , b l o c k i n g a n d u s e o f h i g h e r L e v e l

B L A S ) . W e c a l l t h i s n o d e p a r a l l e l i s m . W e d i s c u s s f u r t h e r a s p e c t s o f t h e p a r a l l e l i s m o f t h e

m u l t i f r o n t a l m e t h o d i n l a t e r s e c t i o n s o f t h i s p a p e r . O u r w o r k i s b a s e d o n o u r e x p e r i e n c e

o f d e s i g n i n g a n d i m p l e m e n t i n g a m u l t i f r o n t a l s c h e m e o n s h a r e d a n d v i r t u a l s h a r e d m e m o r y

c o m p u t e r s ( f o r e x a m p l e , 2 , 3 , 4 ] ) a n d o n a n i n i t i a l p r o t o t y p e d i s t r i b u t e d m e m o r y m u l t i f r o n t a l

v e r s i o n 2 1 ] . W e d e s c r i b e t h e d e s i g n o f o u r r e s u l t i n g d i s t r i b u t e d m e m o r y m u l t i f r o n t a l a l g o r i t h m

i n t h e r e s t o f t h i s p a p e r .

3 T e s t p r o b l e m s

T h r o u g h o u t t h i s p a p e r , w e w i l l u s e a s e t o f t e s t p r o b l e m s t o i l l u s t r a t e t h e p e r f o r m a n c e o f o u r

a l g o r i t h m s . W e d e s c r i b e t h e s e t i n t h i s s e c t i o n .

I n T a b l e s 1 a n d 2 , w e l i s t o u r u n a s s e m b l e d a n d a s s e m b l e d t e s t p r o b l e m s , r e s p e c t i v e l y .

A l l e x c e p t o n e c o m e f r o m t h e i n d u s t r i a l p a r t n e r s o f t h e P A R A S O L P r o j e c t . T h e r e m a i n i n g

m a t r i x , b b m a t , i s f r o m t h e f o r t h c o m i n g R u t h e r f o r d - B o e i n g S p a r s e M a t r i x C o l l e c t i o n 1 6 ] . F o r

3


6/32

s y m m e t r i c m a t r i c e s , w e s h o w t h e n u m b e r o f e n t r i e s i n t h e l o w e r t r i a n g u l a r p a r t o f t h e m a t r i x .

T y p i c a l P A R A S O L t e s t c a s e s a r e f r o m t h e f o l l o w i n g m a j o r a p p l i c a t i o n a r e a s : c o m p u t a t i o n a l

u i d d y n a m i c s ( C F D ) , s t r u c t u r a l m e c h a n i c s , m o d e l l i n g c o m p o u n d d e v i c e s , m o d e l l i n g s h i p s

a n d m o b i l e o s h o r e p l a t f o r m s , i n d u s t r i a l p r o c e s s i n g o f c o m p l e x n o n - N e w t o n i a n l i q u i d s , a n d

m o d e l l i n g c a r b o d i e s a n d e n g i n e c o m p o n e n t s . S o m e t e s t p r o b l e m s a r e p r o v i d e d i n b o t h

a s s e m b l e d f o r m a t a n d e l e m e n t a l f o r m a t . T h e s u x ( r s a o r r s e ) i s u s e d t o d i e r e n t i a t e t h e m .

F o r t h o s e i n e l e m e n t a l f o r m a t , t h e o r i g i n a l m a t r i x i s r e p r e s e n t e d a s a s u m o f e l e m e n t m a t r i c e s

A =

X

A

i

;

w h e r e e a c h A

i

h a s n o n z e r o e n t r i e s o n l y i n t h o s e r o w s a n d c o l u m n s t h a t c o r r e s p o n d t o v a r i a b l e s

i n t h e i t h e l e m e n t . B e c a u s e e l e m e n t m a t r i c e s m a y o v e r l a p , t h e n u m b e r o f e n t r i e s o f a m a t r i x

i n e l e m e n t a l f o r m a t i s u s u a l l y l a r g e r t h a n f o r t h e s a m e m a t r i x w h e n a s s e m b l e d ( c o m p a r e t h e

m a t r i c e s f r o m D e t N o r s k e V e r i t a s o f N o r w a y i n T a b l e s 1 a n d 2 ) . T y p i c a l l y t h e r e a r e a b o u t t w i c e

t h e n u m b e r o f e n t r i e s i n t h e u n a s s e m b l e d e l e m e n t a l f o r m a t .

R e a l S y m m e t r i c E l e m e n t a l ( r s e )

M a t r i x n a m e O r d e r N o . o f e l e m e n t s N o . o f e n t r i e s O r i g i n

m t 1 . r s e 9 7 5 7 8 5 3 2 8 6 8 8 2 7 8 0 D e t N o r s k e V e r i t a s

s h i p 0 0 1 . r s e 3 4 9 2 0 3 4 3 1 3 6 8 6 1 3 3 D e t N o r s k e V e r i t a s

s h i p 0 0 3 . r s e 1 2 1 7 2 8 4 5 4 6 4 9 7 2 9 6 3 1 D e t N o r s k e V e r i t a s

s h i p s e c 1 . r s e 1 4 0 8 7 4 4 1 0 3 7 8 6 1 8 3 2 8 D e t N o r s k e V e r i t a s

s h i p s e c 5 . r s e 1 7 9 8 6 0 5 2 2 7 2 1 1 1 1 8 6 0 2 D e t N o r s k e V e r i t a s

s h i p s e c 8 . r s e 1 1 4 9 1 9 3 5 2 8 0 7 4 3 1 8 6 7 D e t N o r s k e V e r i t a s

t h r e a d . r s e 2 9 7 3 6 2 1 7 6 3 7 1 8 7 0 4 D e t N o r s k e V e r i t a s

x 1 0 4 . r s e 1 0 8 3 8 4 6 0 1 9 7 0 6 5 5 4 6 D e t N o r s k e V e r i t a s

T a b l e 1 : U n a s s e m b l e d s y m m e t r i c t e s t m a t r i c e s f r o m P A R A S O L p a r t n e r ( i n e l e m e n t a l f o r m a t ) .

I n T a b l e s 3 , 4 , a n d 5 , w e p r e s e n t s t a t i s t i c s o n t h e f a c t o r i z a t i o n s o f t h e v a r i o u s t e s t p r o b l e m s

u s i n g M U M P S . T h e t a b l e s s h o w t h e n u m b e r o f e n t r i e s i n t h e f a c t o r s a n d t h e n u m b e r o f o a t i n g -

p o i n t o p e r a t i o n s ( o p s ) f o r e l i m i n a t i o n . F o r u n s y m m e t r i c p r o b l e m s , w e s h o w b o t h t h e e s t i m a t e d

n u m b e r , a s s u m i n g n o p i v o t i n g , a n d t h e a c t u a l n u m b e r w h e n n u m e r i c a l p i v o t i n g i s u s e d .

T h e s t a t i s t i c s c l e a r l y d e p e n d o n t h e o r d e r i n g u s e d . T w o c l a s s e s o f o r d e r i n g w i l l b e c o n s i d e r e d

i n t h i s p a p e r . T h e r s t i s a n A p p r o x i m a t e M i n i m u m D e g r e e o r d e r i n g ( r e f e r r e d t o a s A M D ,

s e e 1 ] ) . T h e s e c o n d c l a s s i s b a s e d o n a h y b r i d N e s t e d D i s s e c t i o n a n d m i n i m u m d e g r e e

t e c h n i q u e ( r e f e r r e d t o a s N D ) . T h e s e h y b r i d o r d e r i n g s w e r e g e n e r a t e d u s i n g O N M E T I S 2 6 ]

o r a c o m b i n a t i o n o f t h e g r a p h p a r t i t i o n i n g t o o l S C O T C H 2 9 ] w i t h a v a r i a n t o f A M D ( H a l o -

A M D , s e e 3 0 ] ) . F o r m a t r i c e s a v a i l a b l e i n b o t h a s s e m b l e d a n d u n a s s e m b l e d f o r m a t , w e u s e d

n e s t e d d i s s e c t i o n b a s e d o r d e r i n g s p r o v i d e d b y D e t N o r s k e V e r i t a s a n d d e n o t e t h e s e b y M F R .

N o t e t h a t , i n t h i s p a p e r , i t i s n o t o u r i n t e n t i o n t o c o m p a r e t h e p a c k a g e s t h a t w e u s e d t o o b t a i n

t h e o r d e r i n g s ; w e w i l l o n l y d i s c u s s t h e i n u e n c e o f t h e t y p e o f o r d e r i n g o n t h e p e r f o r m a n c e o f

M U M P S ( i n S e c t i o n 5 ) .

T h e A M D o r d e r i n g a l g o r i t h m s a r e t i g h t l y i n t e g r a t e d w i t h i n t h e M U M P S c o d e ; t h e o t h e r

o r d e r i n g s a r e p a s s e d t o M U M P S a s a n e x t e r n a l l y c o m p u t e d o r d e r i n g . B e c a u s e o f t h i s t i g h t

i n t e g r a t i o n , w e o b s e r v e i n T a b l e 3 t h a t t h e a n a l y s i s t i m e i s s m a l l e r u s i n g A M D t h a n s o m e

4


7/32

R e a l U n s y m m e t r i c A s s e m b l e d ( r u a )

M a t r i x n a m e O r d e r N o . o f e n t r i e s O r i g i n

m i x i n g - t a n k 2 9 9 5 7 1 9 9 5 0 4 1 P o l y o w S . A .

i n v - e x t r u s i o n - 1 3 0 4 1 2 1 7 9 3 8 8 1 P o l y o w S . A .

b b m a t 3 8 7 4 4 1 7 7 1 7 2 2 R u t h e r f o r d - B o e i n g ( C F D )

R e a l S y m m e t r i c A s s e m b l e d ( r s a )

M a t r i x n a m e O r d e r N o . o f e n t r i e s O r i g i n

o i l p a n 7 3 7 5 2 1 8 3 5 4 7 0 I N P R O

b 5 t u e r 1 6 2 6 1 0 4 0 3 6 1 4 4 I N P R O

c r a n k s e g 1 5 2 8 0 4 5 3 3 3 5 0 7 M a c N e a l - S c h w e n d l e r

c r a n k s e g 2 6 3 8 3 8 7 1 0 6 3 4 8 M a c N e a l - S c h w e n d l e r

b m w 7 s t 1 1 4 1 3 4 7 3 7 4 0 5 0 7 M a c N e a l - S c h w e n d l e r

b m w c r a 1 1 4 8 7 7 0 5 3 9 6 3 8 6 M a c N e a l - S c h w e n d l e r

b m w 3 2 2 2 7 3 6 2 5 7 5 7 9 9 6 M a c N e a l - S c h w e n d l e r

m t 1 . r s a 9 7 5 7 8 4 9 2 5 5 7 4 D e t N o r s k e V e r i t a s

s h i p 0 0 1 . r s a 3 4 9 2 0 2 3 3 9 5 7 5 D e t N o r s k e V e r i t a s

s h i p 0 0 3 . r s a 1 2 1 7 2 8 4 1 0 3 8 8 1 D e t N o r s k e V e r i t a s

s h i p s e c 1 . r s a 1 4 0 8 7 4 3 9 7 7 1 3 9 D e t N o r s k e V e r i t a s



t h r e a d . r s a 2 9 7 3 6 2 2 4 9 8 9 2 D e t N o r s k e V e r i t a s

x 1 0 4 . r s a 1 0 8 3 8 4 5 1 3 8 0 0 4 D e t N o r s k e V e r i t a s

T a b l e 2 : A s s e m b l e d t e s t m a t r i c e s f r o m P A R A S O L p a r t n e r s ( e x c e p t t h e m a t r i x b b m a t ) .

A M D o r d e r i n g

E n t r i e s i n F l o p s T i m e f o r

M a t r i x f a c t o r s ( 1 0

6

) ( 1 0

9

) a n a l y s i s

e s t i m . a c t u a l e s t i m . a c t u a l ( s e c o n d s )

m i x i n g - t a n k 3 8 . 5 3 9 . 1 6 4 . 1 6 4 . 4 4 . 9

i n v - e x t r u s i o n - 1 3 0 . 3 3 1 . 2 3 4 . 3 3 5 . 8 4 . 6

b b m a t 4 6 . 0 4 6 . 2 4 1 . 3 4 1 . 6 8 . 1

N D o r d e r i n g

E n t r i e s i n F l o p s T i m e f o r

M a t r i x f a c t o r s ( 1 0

6

) ( 1 0

9

) a n a l y s i s

e s t i m . a c t u a l e s t i m . a c t u a l ( s e c o n d s )

m i x i n g - t a n k 1 8 . 9 1 9 . 6 1 3 . 0 1 3 . 2 1 2 . 8

i n v - e x t r u s i o n - 1 1 5 . 7 1 6 . 1 7 . 7 8 . 1 1 4 . 0

b b m a t 3 5 . 7 3 5 . 8 2 5 . 5 2 5 . 7 1 1 . 3

T a b l e 3 : S t a t i s t i c s f o r u n s y m m e t r i c t e s t p r o b l e m s o n t h e I B M S P 2 .

5


8/32

u s e r - d e n e d p r e c o m p u t e d o r d e r i n g ( i n t h i s p a p e r N D o r M F R o r d e r i n g s ) . I n a d d i t i o n , t h e c o s t

o f c o m p u t i n g t h e e x t e r n a l o r d e r i n g i s n o t i n c l u d e d i n t h e s e t a b l e s .

A M D o r d e r i n g N D o r d e r i n g

E n t r i e s F l o p s T i m e f o r E n t r i e s F l o p s

M a t r i x i n f a c t o r s a n a l y s i s i n f a c t o r s

( 1 0

6

) ( 1 0

9

) ( s e c o n d s ) ( 1 0

6

) ( 1 0

9

)

o i l p a n 1 0 4 4 1 0 3

b 5 t u e r 2 6 1 3 1 5 2 4 1 2

c r a n k s e g 1 4 0 5 0 1 0 3 2 3 0

c r a n k s e g 2 6 1 1 0 2 1 4 4 1 4 2

b m w 7 s t 1 2 7 1 5 1 0 2 5 1 1

b m w c r a 1 9 7 1 2 8 1 3 7 0 6 1

b m w 3 2 5 1 4 5 1 5 4 5 2 9

T a b l e 4 : S t a t i s t i c s f o r s y m m e t r i c t e s t p r o b l e m s o n t h e I B M S P 2 .

E n t r i e s F l o p s

M a t r i x i n f a c t o r s

( 1 0

6

) ( 1 0

9

)

m t 1 2 9 1 7

s h i p 0 0 3 5 7 7 3

s h i p s e c 1 3 7 3 2

s h i p s e c 5 5 1 5 2

s h i p s e c 8 3 4 3 4

t h r e a d 2 4 3 9

x 1 0 4 2 4 1 0

T a b l e 5 : S t a t i s t i c s f o r s y m m e t r i c t e s t p r o b l e m s , a v a i l a b l e i n b o t h a s s e m b l e d ( r s a )

a n d u n a s s e m b l e d ( r s e ) f o r m a t s ( M F R o r d e r i n g ) .

6


9/32

4 P a r a l l e l i m p l e m e n t a t i o n i s s u e s

I n t h i s p a p e r , w e a s s u m e a o n e - t o - o n e m a p p i n g b e t w e e n p r o c e s s e s a n d p r o c e s s o r s i n o u r

d i s t r i b u t e d m e m o r y e n v i r o n m e n t . A p r o c e s s w i l l t h u s i m p l i c i t l y r e f e r t o a u n i q u e p r o c e s s o r

a n d , w h e n w e s a y f o r e x a m p l e t h a t a t a s k i s a l l o c a t e d t o a p r o c e s s , w e m e a n t h a t t h e t a s k i s

a l s o m a p p e d o n t o t h e c o r r e s p o n d i n g p r o c e s s o r .

A s w e d i d b e f o r e i n a s h a r e d m e m o r y e n v i r o n m e n t 4 ] , w e e x p l o i t p a r a l l e l i s m b o t h a r i s i n g

f r o m s p a r s i t y ( t r e e p a r a l l e l i s m ) a n d f r o m d e n s e f a c t o r i z a t i o n s k e r n e l s ( n o d e p a r a l l e l i s m ) . T o

a v o i d t h e l i m i t a t i o n s d u e t o c e n t r a l i z e d s c h e d u l i n g , w h e r e a h o s t p r o c e s s i s i n c h a r g e o f

s c h e d u l i n g t h e w o r k o f t h e o t h e r p r o c e s s e s , w e h a v e c h o s e n a d i s t r i b u t e d s c h e d u l i n g s t r a t e g y .

I n o u r i m p l e m e n t a t i o n , a p o o l o f w o r k t a s k s i s d i s t r i b u t e d a m o n g t h e p r o c e s s e s t h a t p a r t i c i p a t e

i n t h e n u m e r i c a l f a c t o r i z a t i o n . A h o s t p r o c e s s i s s t i l l u s e d t o p e r f o r m t h e a n a l y s i s p h a s e ( a n d

i d e n t i f y t h e p o o l o f w o r k t a s k s ) , d i s t r i b u t e t h e r i g h t - h a n d s i d e v e c t o r , a n d c o l l e c t t h e s o l u t i o n .

O u r i m p l e m e n t a t i o n a l l o w s t h i s h o s t p r o c e s s t o p a r t i c i p a t e i n t h e c o m p u t a t i o n s d u r i n g t h e

f a c t o r i z a t i o n a n d s o l u t i o n p h a s e s . T h i s a l l o w s t h e u s e r t o r u n t h e c o d e o n a s i n g l e p r o c e s s o r

a n d a v o i d s o n e p r o c e s s o r b e i n g i d l e d u r i n g t h e f a c t o r i z a t i o n a n d s o l u t i o n p h a s e s .

T h e c o d e s o l v e s t h e s y s t e m A x = b i n t h r e e m a i n s t e p s :

1 A n a l y s i s . T h e h o s t p e r f o r m s a n a p p r o x i m a t e m i n i m u m d e g r e e o r d e r i n g b a s e d o n t h e

s y m m e t r i z e d m a t r i x p a t t e r n A + A

T

a n d c a r r i e s o u t t h e s y m b o l i c f a c t o r i z a t i o n . T h e

o r d e r i n g c a n a l s o b e p r o v i d e d b y t h e u s e r . T h e h o s t a l s o c o m p u t e s a m a p p i n g o f t h e n o d e s

o f t h e a s s e m b l y t r e e t o t h e p r o c e s s o r s . T h e m a p p i n g i s s u c h t h a t i t k e e p s c o m m u n i c a t i o n

c o s t s d u r i n g f a c t o r i z a t i o n a n d s o l u t i o n t o a m i n i m u m a n d b a l a n c e s t h e m e m o r y a n d

c o m p u t a t i o n r e q u i r e d b y t h e p r o c e s s e s . T h e c o m p u t a t i o n a l c o s t i s a p p r o x i m a t e d b y t h e

n u m b e r o f o a t i n g - p o i n t o p e r a t i o n s , a s s u m i n g n o p i v o t i n g i s p e r f o r m e d , a n d t h e s t o r a g e

c o s t b y t h e n u m b e r o f e n t r i e s i n t h e f a c t o r s . A f t e r c o m p u t i n g t h e m a p p i n g , t h e h o s t

s e n d s s y m b o l i c i n f o r m a t i o n t o t h e o t h e r p r o c e s s e s . U s i n g t h i s i n f o r m a t i o n , e a c h p r o c e s s

e s t i m a t e s t h e w o r k s p a c e r e q u i r e d f o r i t s p a r t o f t h e f a c t o r i z a t i o n a n d s o l u t i o n . T h e

e s t i m a t e d w o r k s p a c e s h o u l d b e l a r g e e n o u g h t o h a n d l e t h e c o m p u t a t i o n a l t a s k s t h a t

w e r e a s s i g n e d t o t h e p r o c e s s a t a n a l y s i s t i m e p l u s p o s s i b l e t a s k s t h a t i t m a y r e c e i v e

d y n a m i c a l l y d u r i n g t h e f a c t o r i z a t i o n , a s s u m i n g t h a t n o e x c e s s i v e a m o u n t o f u n e x p e c t e d

l l - i n o c c u r s d u e t o n u m e r i c a l p i v o t i n g .

2 F a c t o r i z a t i o n . T h e o r i g i n a l m a t r i x i s r s t p r e p r o c e s s e d ( f o r e x a m p l e , c o n v e r t e d t o

a r r o w h e a d f o r m a t i f t h e m a t r i x i s a s s e m b l e d ) a n d d i s t r i b u t e d t o t h e p r o c e s s e s t h a t w i l l

p a r t i c i p a t e i n t h e n u m e r i c a l f a c t o r i z a t i o n . E a c h p r o c e s s a l l o c a t e s a n a r r a y f o r c o n t r i b u t i o n

b l o c k s a n d f a c t o r s . T h e n u m e r i c a l f a c t o r i z a t i o n o n e a c h f r o n t a l m a t r i x i s p e r f o r m e d b y

a p r o c e s s d e t e r m i n e d b y t h e a n a l y s i s p h a s e a n d p o t e n t i a l l y o n e o r m o r e o t h e r p r o c e s s e s

t h a t a r e d e t e r m i n e d d y n a m i c a l l y . T h e f a c t o r s m u s t b e k e p t f o r t h e s o l u t i o n p h a s e .

3 S o l u t i o n . T h e r i g h t - h a n d s i d e v e c t o r b i s b r o a d c a s t f r o m t h e h o s t t o t h e o t h e r p r o c e s s e s .

T h e y c o m p u t e t h e s o l u t i o n v e c t o r x u s i n g t h e d i s t r i b u t e d f a c t o r s c o m p u t e d d u r i n g t h e

f a c t o r i z a t i o n p h a s e . T h e s o l u t i o n v e c t o r i s t h e n a s s e m b l e d o n t h e h o s t .

7


10/32

4 . 1 S o u r c e s o f p a r a l l e l i s m

W e c o n s i d e r t h e c o n d e n s e d a s s e m b l y t r e e o f F i g u r e 2 , w h e r e t h e l e a v e s r e p r e s e n t s u b t r e e s o f t h e

a s s e m b l y t r e e .

P3P0P1P2

P0P1P2

P3P2P1

P0 P1

P3

P0 P1

P0

P0

P3

P0

SUBTREES

P3

P2 P2

P0

P2P2P3P0

Type 2

Type 3

Type 2

P0

Type 2

P0

Type 1

F i g u r e 2 : D i s t r i b u t i o n o f t h e c o m p u t a t i o n s o f a m u l t i f r o n t a l a s s e m b l y t r e e o v e r t h e f o u r

p r o c e s s o r s P 0 , P 1 , P 2 , a n d P 3 .

I f w e o n l y c o n s i d e r t r e e p a r a l l e l i s m , t h e n t h e t r a n s f e r o f t h e c o n t r i b u t i o n b l o c k f r o m a n o d e

i n t h e a s s e m b l y t r e e t o i t s f a t h e r n o d e r e q u i r e s o n l y l o c a l d a t a m o v e m e n t w h e n t h e n o d e s

a r e a s s i g n e d t o t h e s a m e p r o c e s s . C o m m u n i c a t i o n i s r e q u i r e d w h e n t h e n o d e s a r e a s s i g n e d

t o d i e r e n t p r o c e s s e s . T o r e d u c e t h e a m o u n t o f c o m m u n i c a t i o n d u r i n g t h e f a c t o r i z a t i o n a n d

s o l u t i o n p h a s e s , t h e m a p p i n g c o m p u t e d d u r i n g t h e a n a l y s i s p h a s e a s s i g n s a s u b t r e e o f t h e

a s s e m b l y t r e e t o a s i n g l e p r o c e s s . I n g e n e r a l , t h e m a p p i n g a l g o r i t h m c h o o s e s m o r e l e a f s u b t r e e s

t h a n t h e r e a r e p r o c e s s e s a n d , b y m a p p i n g t h e s e s u b t r e e s c a r e f u l l y o n t o t h e p r o c e s s e s , w e a c h i e v e

a g o o d o v e r a l l l o a d b a l a n c e o f t h e c o m p u t a t i o n a t t h e b o t t o m o f t h e t r e e . W e h a v e d e s c r i b e d

t h i s i n m o r e d e t a i l i n 5 ] . H o w e v e r , i f w e e x p l o i t o n l y t r e e p a r a l l e l i s m , t h e s p e e d u p s a r e v e r y

d i s a p p o i n t i n g . O b v i o u s l y i t d e p e n d s o n t h e p r o b l e m , b u t t y p i c a l l y t h e m a x i m u m s p e e d u p i s n o

m o r e t h a n 3 t o 5 a s i l l u s t r a t e d i n T a b l e 6 . T h i s p o o r p e r f o r m a n c e i s c a u s e d b y t h e f a c t t h a t

t h e t r e e p a r a l l e l i s m d e c r e a s e s w h i l e g o i n g t o w a r d s t h e r o o t o f t h e t r e e . M o r e o v e r , i t h a s b e e n

o b s e r v e d ( s e e f o r e x a m p l e 4 ] ) t h a t o f t e n m o r e t h a n 7 5 % o f t h e c o m p u t a t i o n s a r e p e r f o r m e d

i n t h e t o p t h r e e l e v e l s o f t h e a s s e m b l y t r e e . I t i s t h u s n e c e s s a r y t o o b t a i n f u r t h e r p a r a l l e l i s m

w i t h i n t h e l a r g e n o d e s n e a r t h e r o o t o f t h e t r e e . T h e a d d i t i o n a l p a r a l l e l i s m w i l l b e b a s e d o n

p a r a l l e l b l o c k e d v e r s i o n s o f t h e a l g o r i t h m s u s e d d u r i n g t h e f a c t o r i z a t i o n o f t h e f r o n t a l m a t r i c e s .

N o d e s o f t h e a s s e m b l y t r e e t h a t a r e t r e a t e d b y o n l y o n e p r o c e s s w i l l b e r e f e r r e d t o a s n o d e s

o f t y p e 1 a n d t h e p a r a l l e l i s m o f t h e a s s e m b l y t r e e w i l l b e r e f e r r e d t o a s t y p e 1 p a r a l l e l i s m

F u r t h e r p a r a l l e l i s m i s o b t a i n e d b y a o n e - d i m e n s i o n a l ( 1 D ) b l o c k p a r t i t i o n i n g o f t h e r o w s o f

t h e f r o n t a l m a t r i x f o r n o d e s w i t h a l a r g e c o n t r i b u t i o n b l o c k ( s e e F i g u r e 2 ) . S u c h n o d e s w i l l

b e r e f e r r e d t o a s n o d e s o f t y p e 2 a n d t h e c o r r e s p o n d i n g p a r a l l e l i s m a s t y p e 2 p a r a l l e l i s m

F i n a l l y , i f t h e f r o n t a l m a t r i x o f t h e r o o t n o d e i s l a r g e e n o u g h , w e p a r t i t i o n i t i n a t w o - d i m e n s i o n a l

8


11/32

( 2 D ) b l o c k c y c l i c w a y . T h e p a r a l l e l r o o t n o d e w i l l b e r e f e r r e d t o a s a n o d e o f t y p e 3 a n d t h e

c o r r e s p o n d i n g p a r a l l e l i s m a s t y p e 3 p a r a l l e l i s m

4 . 2 T y p e 2 p a r a l l e l i s m

D u r i n g t h e a n a l y s i s p h a s e , a n o d e i s d e t e r m i n e d t o b e o f t y p e 2 i f t h e n u m b e r o f r o w s i n i t s

c o n t r i b u t i o n b l o c k i s s u c i e n t l y l a r g e . I f a n o d e i s o f t y p e 2 , o n e p r o c e s s ( c a l l e d t h e m a s t e r )

h o l d s a l l t h e f u l l y s u m m e d r o w s a n d p e r f o r m s t h e p i v o t i n g a n d t h e f a c t o r i z a t i o n o n t h i s b l o c k

w h i l e o t h e r p r o c e s s e s ( c a l l e d s l a v e s ) p e r f o r m t h e u p d a t e s o n t h e p a r t l y s u m m e d r o w s ( s e e

F i g u r e 1 ) .

T h e s l a v e s a r e d e t e r m i n e d d y n a m i c a l l y d u r i n g f a c t o r i z a t i o n a n d a n y p r o c e s s m a y b e s e l e c t e d .

T o b e a b l e t o a s s e m b l e t h e o r i g i n a l m a t r i x e n t r i e s q u i c k l y i n t o t h e f r o n t a l m a t r i x o f a t y p e 2

n o d e , w e d u p l i c a t e t h e c o r r e s p o n d i n g o r i g i n a l m a t r i x e n t r i e s ( s t o r e d a s a r r o w h e a d s o r e l e m e n t

m a t r i c e s ) o n t o a l l t h e p r o c e s s e s b e f o r e t h e f a c t o r i z a t i o n . T h i s w a y , t h e m a s t e r a n d s l a v e

p r o c e s s e s o f a t y p e 2 n o d e h a v e i m m e d i a t e a c c e s s t o t h e e n t r i e s t h a t n e e d t o b e a s s e m b l e d i n

t h e l o c a l p a r t o f t h e f r o n t a l m a t r i x . T h i s d u p l i c a t i o n o f o r i g i n a l d a t a e n a b l e s e c i e n t d y n a m i c

s c h e d u l i n g o f c o m p u t a t i o n a l t a s k s , b u t r e q u i r e s s o m e e x t r a s t o r a g e . T h i s i s s t u d i e d i n m o r e

d e t a i l i n S e c t i o n 8 . ( N o t e t h a t f o r a t y p e 1 n o d e , t h e o r i g i n a l m a t r i x e n t r i e s n e e d o n l y b e p r e s e n t

o n t h e p r o c e s s h a n d l i n g t h i s n o d e . )

A t e x e c u t i o n t i m e , t h e m a s t e r o f a t y p e 2 n o d e r s t r e c e i v e s s y m b o l i c i n f o r m a t i o n d e s c r i b i n g

t h e s t r u c t u r e o f t h e c o n t r i b u t i o n b l o c k s o f i t s s o n n o d e s i n t h e t r e e . T h i s i n f o r m a t i o n i s s e n t

b y t h e ( m a s t e r ) p r o c e s s e s h a n d l i n g t h e s o n s . B a s e d o n t h i s i n f o r m a t i o n , t h e m a s t e r d e t e r m i n e s

t h e e x a c t s t r u c t u r e o f i t s f r o n t a l m a t r i x a n d d e c i d e s w h i c h s l a v e p r o c e s s e s w i l l p a r t i c i p a t e i n

t h e f a c t o r i z a t i o n o f t h e n o d e . I t t h e n s e n d s i n f o r m a t i o n t o t h e p r o c e s s e s h a n d l i n g t h e s o n s t o

e n a b l e t h e m t o s e n d t h e e n t r i e s i n t h e i r c o n t r i b u t i o n b l o c k s d i r e c t l y t o t h e a p p r o p r i a t e p r o c e s s e s

i n v o l v e d i n t h e t y p e 2 n o d e . T h e a s s e m b l i e s f o r t h i s n o d e a r e s u b s e q u e n t l y p e r f o r m e d i n p a r a l l e l .

T h e m a s t e r a n d s l a v e p r o c e s s e s t h e n p e r f o r m t h e e l i m i n a t i o n o p e r a t i o n s o n t h e f r o n t a l m a t r i x

i n p a r a l l e l . M a c r o - p i p e l i n i n g b a s e d o n a b l o c k e d f a c t o r i z a t i o n o f t h e f u l l y s u m m e d r o w s i s u s e d

t o o v e r l a p c o m m u n i c a t i o n w i t h c o m p u t a t i o n . T h e e c i e n c y o f t h e a l g o r i t h m t h u s d e p e n d s o n

b o t h t h e b l o c k s i z e u s e d t o f a c t o r t h e f u l l y s u m m e d r o w s a n d o n t h e n u m b e r o f r o w s a l l o c a t e d

t o a s l a v e p r o c e s s . F u r t h e r d e t a i l s a n d d i e r e n c e s b e t w e e n t h e i m p l e m e n t a t i o n s f o r s y m m e t r i c

a n d u n s y m m e t r i c m a t r i c e s a r e d e s c r i b e d i n 5 ] .

4 . 3 T y p e 3 p a r a l l e l i s m

A t t h e r o o t n o d e , w e m u s t f a c t o r i z e a d e n s e m a t r i x a n d w e c a n u s e s t a n d a r d c o d e s f o r

t h i s . F o r s c a l a b i l i t y r e a s o n s , w e u s e a 2 D b l o c k c y c l i c d i s t r i b u t i o n o f t h e r o o t n o d e a n d

w e u s e S c a L A P A C K 9 ] o r t h e v e n d o r e q u i v a l e n t i m p l e m e n t a t i o n ( r o u t i n e P D G E T R F f o r

g e n e r a l m a t r i c e s a n d r o u t i n e P D P O T R F f o r s y m m e t r i c p o s i t i v e d e n i t e m a t r i c e s ) f o r t h e a c t u a l

f a c t o r i z a t i o n .

C u r r e n t l y , a m a x i m u m o f o n e r o o t n o d e , c h o s e n d u r i n g t h e a n a l y s i s , i s p r o c e s s e d i n p a r a l l e l .

T h e n o d e c h o s e n w i l l b e t h e l a r g e s t r o o t p r o v i d e d i t s s i z e i s l a r g e r t h a n a c o m p u t e r d e p e n d e n t

p a r a m e t e r ( o t h e r w i s e i t i s f a c t o r i z e d o n o n l y o n e p r o c e s s o r ) . O n e p r o c e s s ( a l s o c a l l e d t h e m a s t e r )

h o l d s a l l t h e i n d i c e s d e s c r i b i n g t h e s t r u c t u r e o f t h e r o o t f r o n t a l m a t r i x .

W e c a l l t h e r o o t n o d e , a s d e t e r m i n e d b y t h e a n a l y s i s p h a s e , t h e e s t i m a t e d r o o t n o d e

B e f o r e f a c t o r i z a t i o n , t h e s t r u c t u r e o f t h e f r o n t a l m a t r i x o f t h e e s t i m a t e d r o o t n o d e i s s t a t i c a l l y

9


12/32

m a p p e d o n t o a 2 D g r i d o f p r o c e s s e s . T h i s m a p p i n g f u l l y d e t e r m i n e s t o w h i c h p r o c e s s a n e n t r y

o f t h e e s t i m a t e d r o o t n o d e i s a s s i g n e d . H e n c e , f o r t h e a s s e m b l y o f o r i g i n a l m a t r i x e n t r i e s

a n d c o n t r i b u t i o n b l o c k s , t h e p r o c e s s e s h o l d i n g t h i s i n f o r m a t i o n c a n e a s i l y c o m p u t e e x a c t l y t h e

p r o c e s s e s t o w h i c h t h e y m u s t s e n d d a t a t o .

I n t h e f a c t o r i z a t i o n p h a s e , t h e o r i g i n a l m a t r i x e n t r i e s a n d t h e p a r t o f t h e c o n t r i b u t i o n b l o c k s

f r o m t h e s o n s c o r r e s p o n d i n g t o t h e e s t i m a t e d r o o t c a n b e a s s e m b l e d a s s o o n a s t h e y a r e a v a i l a b l e .

T h e m a s t e r o f t h e r o o t n o d e t h e n c o l l e c t s t h e i n d e x i n f o r m a t i o n f o r a l l t h e d e l a y e d v a r i a b l e s

( d u e t o n u m e r i c a l p i v o t i n g ) o f i t s s o n s a n d b u i l d s t h e n a l s t r u c t u r e o f t h e r o o t f r o n t a l m a t r i x .

T h i s s y m b o l i c i n f o r m a t i o n i s b r o a d c a s t t o a l l p r o c e s s e s t h a t p a r t i c i p a t e i n t h e f a c t o r i z a t i o n . T h e

c o n t r i b u t i o n s c o r r e s p o n d i n g t o d e l a y e d v a r i a b l e s a r e t h e n s e n t b y t h e s o n s t o t h e a p p r o p r i a t e

p r o c e s s e s i n t h e 2 D g r i d f o r a s s e m b l y ( o r t h e c o n t r i b u t i o n s c a n b e d i r e c t l y a s s e m b l e d l o c a l l y i f

t h e d e s t i n a t i o n i s t h e s a m e p r o c e s s ) . N o t e t h a t , b e c a u s e o f t h e r e q u i r e m e n t s o f S c a L A P A C K ,

l o c a l c o p y i n g o f t h e r o o t n o d e i s r e q u i r e d s i n c e t h e l e a d i n g d i m e n s i o n w i l l c h a n g e i f t h e r e a r e

a n y d e l a y e d p i v o t s .

4 . 4 P a r a l l e l t r i a n g u l a r s o l u t i o n

T h e s o l u t i o n p h a s e i s a l s o p e r f o r m e d i n p a r a l l e l a n d u s e s a s y n c h r o n o u s c o m m u n i c a t i o n s b o t h

f o r t h e f o r w a r d e l i m i n a t i o n a n d t h e b a c k s u b s t i t u t i o n . I n t h e c a s e o f t h e f o r w a r d e l i m i n a t i o n ,

t h e t r e e i s p r o c e s s e d f r o m t h e l e a v e s t o t h e r o o t , s i m i l a r t o t h e f a c t o r i z a t i o n , w h i l e t h e b a c k

s u b s t i t u t i o n r e q u i r e s a d i e r e n t a l g o r i t h m t h a t p r o c e s s e s t h e t r e e f r o m t h e r o o t t o t h e l e a v e s .

A p o o l o f r e a d y - t o - b e - a c t i v a t e d t a s k s i s u s e d . W e d o n o t c h a n g e t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e f a c t o r s

a s g e n e r a t e d i n t h e f a c t o r i z a t i o n p h a s e . H e n c e , t y p e 2 a n d 3 p a r a l l e l i s m a r e a l s o u s e d i n t h e

s o l u t i o n p h a s e . A t t h e r o o t n o d e , w e u s e S c a L A P A C K r o u t i n e P D G E T R S f o r g e n e r a l m a t r i c e s

a n d r o u t i n e P D P O T R S f o r s y m m e t r i c p o s i t i v e d e n i t e m a t r i c e s .

5 B a s i c p e r f o r m a n c e a n d i n u e n c e o f o r d e r i n g

F r o m e a r l i e r s t u d i e s ( f o r e x a m p l e 2 5 ] ) , w e k n o w t h a t t h e o r d e r i n g m a y s e r i o u s l y i m p a c t b o t h

t h e u n i p r o c e s s o r t i m e a n d t h e p a r a l l e l b e h a v i o u r o f t h e m e t h o d . T o i l l u s t r a t e t h i s , w e r e p o r t

i n T a b l e 6 p e r f o r m a n c e o b t a i n e d u s i n g o n l y t y p e 1 p a r a l l e l i s m . T h e r e s u l t s s h o w t h a t u s i n g

o n l y t y p e 1 p a r a l l e l i s m d o e s n o t p r o d u c e g o o d s p e e d u p s . T h e r e s u l t s a l s o s h o w ( s e e c o l u m n s

\ S p e e d u p " ) t h a t w e u s u a l l y g e t b e t t e r p a r a l l e l i s m w i t h n e s t e d d i s s e c t i o n b a s e d o r d e r i n g s t h a n

w i t h m i n i m u m d e g r e e b a s e d o r d e r i n g s . W e t h u s g a i n b y u s i n g n e s t e d d i s s e c t i o n b e c a u s e o f

b o t h a r e d u c t i o n i n t h e n u m b e r o f o a t i n g - p o i n t o p e r a t i o n s ( s e e T a b l e s 3 a n d 4 ) a n d a b e t t e r

b a l a n c e d a s s e m b l y t r e e .

W e n o w d i s c u s s t h e p e r f o r m a n c e o b t a i n e d w i t h M U M P S o n m a t r i c e s i n a s s e m b l e d f o r m a t t h a t

w i l l b e u s e d a s a r e f e r e n c e f o r t h i s p a p e r . T h e p e r f o r m a n c e o b t a i n e d o n m a t r i c e s p r o v i d e d i n

e l e m e n t a l f o r m a t i s d i s c u s s e d i n S e c t i o n 6 . I n T a b l e s 7 a n d 8 , w e s h o w t h e p e r f o r m a n c e o f

M U M P S u s i n g n e s t e d d i s s e c t i o n a n d m i n i m u m d e g r e e o r d e r i n g s o n t h e I B M S P 2 a n d t h e S G I

O r i g i n 2 0 0 0 , r e s p e c t i v e l y . N o t e t h a t s p e e d u p s a r e d i c u l t t o c o m p u t e o n t h e I B M S P 2 b e c a u s e

m e m o r y p a g i n g o f t e n o c c u r s o n a s m a l l n u m b e r o f p r o c e s s o r s . H e n c e , t h e b e t t e r p e r f o r m a n c e

w i t h n e s t e d d i s s e c t i o n o r d e r i n g s o n a s m a l l n u m b e r o f p r o c e s s o r s o f t h e I B M S P 2 i s d u e , i n p a r t ,

t o t h e r e d u c t i o n i n t h e m e m o r y r e q u i r e d b y e a c h p r o c e s s o r ( s i n c e t h e r e a r e l e s s e n t r i e s i n t h e

f a c t o r s ) . T o g e t a b e t t e r i d e a o f t h e t r u e a l g o r i t h m i c s p e e d u p s ( w i t h o u t m e m o r y p a g i n g e e c t s ) ,

w e g i v e , i n T a b l e 7 , t h e u n i p r o c e s s o r C P U t i m e f o r o n e p r o c e s s o r , i n s t e a d o f t h e e l a p s e d t i m e .

1 0


13/32

M a t r i x T i m e S p e e d u p

A M D N D A M D N D

o i l p a n 1 2 . 6 7 . 3 2 . 9 1 4 . 4 5

b m w 7 s t 1 5 5 . 6 2 1 . 3 2 . 5 5 4 . 8 7

b b m a t 7 8 . 4 4 9 . 4 4 . 0 8 4 . 0 0

b 5 t u e r 3 3 . 4 2 5 . 5 3 . 4 7 4 . 2 2

T a b l e 6 : I n u e n c e o f t h e o r d e r i n g o n t h e t i m e ( i n s e c o n d s ) a n d s p e e d u p f o r t h e

f a c t o r i z a t i o n p h a s e , u s i n g o n l y t y p e 1 p a r a l l e l i s m , o n 3 2 p r o c e s s o r s o f t h e I B M S P 2 .

W h e n t h e m e m o r y w a s n o t l a r g e e n o u g h t o r u n o n o n e p r o c e s s o r , a n e s t i m a t e o f t h e M e g a o p

r a t e w a s u s e d t o c o m p u t e t h e u n i p r o c e s s o r C P U t i m e . ( T h i s e s t i m a t e w a s a l s o u s e d , w h e n

n e c e s s a r y , t o c o m p u t e t h e s p e e d u p s i n T a b l e 6 . ) O n a s m a l l n u m b e r o f p r o c e s s o r s , t h e r e c a n

s t i l l b e a m e m o r y p a g i n g e e c t t h a t m a y s i g n i c a n t l y i n c r e a s e t h e e l a p s e d t i m e . H o w e v e r , t h e

s p e e d u p o v e r t h e e l a p s e d t i m e o n o n e p r o c e s s o r ( n o t g i v e n ) c a n b e c o n s i d e r a b l e .

M a t r i x O r d e r i n g N u m b e r o f p r o c e s s o r s

1

( )

4 8 1 6 2 4 3 2

o i l p a n A M D 3 7 1 3 . 6 9 . 0 6 . 8 5 . 9 5 . 8

N D 3 3 1 0 . 8 7 . 1 5 . 7 4 . 6 4 . 6

b 5 t u e r A M D 1 1 6 1 5 5 . 5 2 4 . 1 1 6 . 8 1 6 . 1 1 3 . 1

N D 1 0 8 5 5 . 7 2 1 . 6 1 6 . 8 1 4 . 7 1 0 . 5

c r a n k s e g 1 A M D 4 5 6 5 0 8 . 3 1 6 2 . 4 7 8 . 4 6 3 . 3

N D 2 7 0 2 2 8 . 2 1 0 2 . 0 4 2 . 4 3 9 . 1 3 1 . 9

c r a n k s e g 2 A M D 9 2 6 - - 8 1 9 . 6 3 0 8 . 5 1 7 9 . 7

N D 3 7 8 - 3 1 6 . 6 7 9 . 7 4 1 . 7 3 5 . 7

b m w 7 s t 1 A M D 1 4 2 1 5 3 . 4 4 6 . 5 2 1 . 3 1 8 . 4 1 6 . 7

N D 1 0 4 1 0 5 . 7 3 6 . 7 2 0 . 2 1 2 . 9 1 1 . 7

b m w 3 2 A M D 4 2 1 - 3 0 9 . 8 7 4 . 2 5 1 . 0 3 4 . 2

N D 2 4 6 - 1 4 5 . 3 4 2 . 6 2 5 . 8 2 3 . 6

m i x i n g - t a n k A M D 4 9 5 - 2 8 8 . 5 7 0 . 7 6 4 . 5 6 1 . 3

N D 1 0 4 3 2 . 8 0 2 6 . 1 1 7 . 4 1 4 . 4 1 4 . 8

i n v - e x t r u s i o n - 1 A M D 2 7 9 - 6 7 . 9 6 3 . 2 5 6 . 5 5 6 . 0

N D 7 0 2 5 . 7 1 7 . 5 1 6 . 0 1 3 . 1 1 2 . 4

b b m a t A M D 3 2 0 2 7 6 . 4 6 8 . 3 4 7 . 8 4 4 . 0 3 9 . 8

N D 1 9 8 1 0 6 . 4 7 6 . 7 3 5 . 2 3 4 . 6 3 0 . 9

T a b l e 7 : I m p a c t o f t h e o r d e r i n g o n t h e t i m e ( i n s e c o n d s ) f o r f a c t o r i z a t i o n o n t h e I B M

S P 2 .

( )

e s t i m a t e d C P U t i m e o n o n e p r o c e s s o r ; - m e a n s n o t e n o u g h m e m o r y .

T a b l e 8 a l s o s h o w s t h e e l a p s e d t i m e f o r t h e s o l u t i o n p h a s e ; w e o b s e r v e t h a t t h e s p e e d u p s

f o r t h i s p h a s e a r e q u i t e g o o d .

I n t h e r e m a i n d e r o f t h i s p a p e r , w e w i l l u s e n e s t e d d i s s e c t i o n b a s e d o r d e r i n g s , u n l e s s s t a t e d

o t h e r w i s e .

1 1


14/32

F a c t o r i z a t i o n p h a s e


1 2 4 8 1 6 3 2

c r a n k s e g 2 A M D 5 6 6 . 1 3 9 2 . 2 2 2 0 . 0 1 1 5 . 9 8 6 . 4 7 7 . 4

N D 2 1 6 . 9 1 1 5 . 9 7 2 . 0 6 0 . 3 4 6 . 9 3 8 . 9

b m w 7 s t 1 A M D 8 5 . 7 5 6 . 0 2 8 . 2 1 8 . 5 1 5 . 1 1 4 . 2

N D 6 3 . 1 3 8 . 5 2 7 . 9 1 9 . 5 2 1 . 1 1 1 . 5

b m w c r a 1 A M D 6 6 3 . 0 3 9 6 . 5 2 3 8 . 7 1 4 1 . 6 1 1 0 . 3 7 6 . 9

N D 3 0 6 . 6 1 8 2 . 7 8 0 . 9 5 2 . 9 4 1 . 2 3 5 . 5

b m w 3 2 A M D 2 5 2 . 7 1 5 3 . 4 8 1 . 8 4 9 . 4 3 4 . 0 2 7 . 3

N D 1 5 2 . 1 9 3 . 8 5 2 . 5 3 3 . 0 2 2 . 1 1 7 . 0

S o l u t i o n p h a s e


1 2 4 8 1 6 3 2

c r a n k s e g 2 A M D 6 . 8 5 . 8 4 . 4 2 . 9 2 . 4 2 . 3

N D 4 . 3 2 . 7 1 . 8 1 . 5 1 . 1 1 . 8

b m w 7 s t 1 A M D 4 . 2 2 . 4 2 . 3 1 . 9 1 . 4 1 . 6

N D 3 . 3 2 . 1 1 . 7 1 . 4 1 . 6 1 . 5

b m w c r a 1 A M D 1 1 . 4 7 . 2 6 . 8 3 . 9 2 . 8 2 . 4

N D 8 . 3 4 . 7 2 . 7 2 . 1 1 . 8 2 . 0

b m w 3 2 A M D 6 . 7 4 . 1 3 . 6 2 . 4 2 . 1 1 . 9

N D 6 . 3 3 . 8 2 . 9 2 . 4 2 . 0 2 . 4

T a b l e 8 : I m p a c t o f t h e o r d e r i n g o n t h e t i m e ( i n s e c o n d s ) f o r f a c t o r i z a t i o n a n d s o l v e

p h a s e s o n t h e S G I O r i g i n 2 0 0 0 .

1 2


15/32

6 E l e m e n t a l i n p u t m a t r i x f o r m a t

I n t h i s s e c t i o n , w e d i s c u s s t h e m a i n a l g o r i t h m i c c h a n g e s t o h a n d l e e c i e n t l y p r o b l e m s t h a t a r e

p r o v i d e d i n e l e m e n t a l f o r m a t . W e a s s u m e t h a t t h e o r i g i n a l m a t r i x c a n b e r e p r e s e n t e d a s a s u m

o f e l e m e n t m a t r i c e s

A =

X

A

i

;

w h e r e e a c h A

i

h a s n o n z e r o e n t r i e s o n l y i n t h o s e r o w s a n d c o l u m n s t h a t c o r r e s p o n d t o v a r i a b l e s

i n t h e i t h e l e m e n t . A

i

i s u s u a l l y h e l d a s a d e n s e m a t r i x , b u t i f t h e m a t r i x A i s s y m m e t r i c , o n l y

t h e l o w e r t r i a n g u l a r p a r t o f e a c h A

i

i s s t o r e d .

I n a m u l t i f r o n t a l a p p r o a c h , e l e m e n t m a t r i c e s n e e d n o t b e a s s e m b l e d i n m o r e t h a n o n e f r o n t a l

m a t r i x d u r i n g t h e e l i m i n a t i o n p r o c e s s . T h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t t h e f r o n t a l m a t r i x s t r u c t u r e

c o n t a i n s , b y d e n i t i o n , a l l t h e v a r i a b l e s a d j a c e n t t o a n y f u l l y s u m m e d v a r i a b l e o f t h e f r o n t . A s

a c o n s e q u e n c e , e l e m e n t m a t r i c e s n e e d n o t b e s p l i t d u r i n g t h e a s s e m b l y p r o c e s s . N o t e t h a t , f o r

c l a s s i c a l f a n - i n a n d f a n - o u t a p p r o a c h e s 7 ] , t h i s p r o p e r t y d o e s n o t h o l d s i n c e t h e p o s i t i o n s o f

t h e e l e m e n t m a t r i c e s t o b e a s s e m b l e d a r e n o t r e s t r i c t e d t o f u l l y s u m m e d r o w s a n d c o l u m n s .

T h e m a i n m o d i c a t i o n s t h a t w e h a d t o m a k e t o o u r a l g o r i t h m s f o r a s s e m b l e d m a t r i c e s t o

a c c o m m o d a t e u n a s s e m b l e d m a t r i c e s l i e i n t h e a n a l y s i s , t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e m a t r i x , a n d t h e

a s s e m b l y p r o c e s s . W e w i l l d e s c r i b e t h e m i n m o r e d e t a i l b e l o w .

I n t h e a n a l y s i s p h a s e , w e e x p l o i t t h e e l e m e n t a l f o r m a t o f t h e m a t r i x t o d e t e c t s u p e r v a r i a b l e s .

W e d e n e a s u p e r v a r i a b l e a s a s e t o f v a r i a b l e s h a v i n g t h e s a m e l i s t o f a d j a c e n t e l e m e n t s . T h i s

i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 3 w h e r e t h e m a t r i x i s c o m p o s e d o f t w o o v e r l a p p i n g e l e m e n t s a n d h a s t h r e e

s u p e r v a r i a b l e s . ( N o t e t h a t o u r d e n i t i o n o f a s u p e r v a r i a b l e d i e r s f r o m t h e u s u a l d e n i t i o n , s e e

f o r e x a m p l e 1 1 ] ) .

S u p e r v a r i a b l e s h a v e b e e n u s e d s u c c e s s f u l l y i n a s i m i l a r c o n t e x t t o c o m p r e s s g r a p h s a s s o c i a t e d

w i t h a s s e m b l e d m a t r i c e s f r o m s t r u c t u r a l e n g i n e e r i n g p r i o r t o a m u l t i p l e m i n i m u m d e g r e e

o r d e r i n g 8 ] . F o r a s s e m b l e d m a t r i c e s , h o w e v e r , i t w a s o b s e r v e d i n 1 ] t h a t t h e u s e o f

s u p e r v a r i a b l e s i n c o m b i n a t i o n w i t h a n A p p r o x i m a t e M i n i m u m D e g r e e a l g o r i t h m w a s n o t m o r e

e c i e n t .

G r a p h s i z e w i t h

M a t r i x s u p e r v a r i a b l e d e t e c t i o n

O F F O N

m t 1 . r s e 9 6 5 5 9 9 2 2 9 9 1 9 4

s h i p 0 0 3 . r s e 7 9 6 4 3 0 6 2 0 4 3 2 4

s h i p s e c 1 . r s e 7 6 7 2 5 3 0 1 9 3 5 6 0

s h i p s e c 5 . r s e 9 9 3 3 2 3 6 2 5 6 9 7 6

s h i p s e c 8 . r s e 6 5 3 8 4 8 0 1 7 1 4 2 8

t h r e a d . r s e 4 4 4 0 3 1 2 3 9 7 4 1 0

x 1 0 4 . r s e 1 0 0 5 9 2 4 0 2 4 6 9 5 0

T a b l e 9 : I m p a c t o f s u p e r v a r i a b l e d e t e c t i o n o n t h e l e n g t h o f t h e a d j a c e n c y l i s t s g i v e n

t o t h e o r d e r i n g p h a s e .

T a b l e 9 s h o w s t h e i m p a c t o f u s i n g s u p e r v a r i a b l e s o n t h e s i z e o f t h e g r a p h p r o c e s s e d

b y t h e o r d e r i n g p h a s e ( A M D o r d e r i n g ) . G r a p h s i z e i s t h e l e n g t h o f t h e a d j a c e n c y l i s t s o f

v a r i a b l e s / s u p e r v a r i a b l e s g i v e n a s i n p u t t o t h e o r d e r i n g p h a s e . W i t h o u t s u p e r v a r i a b l e d e t e c t i o n ,

1 3


16/32

Initial graph of variables Initial matrix

87

6

4

3

21

6,7,8

1,2,3

4,5

Graph of supervariables

3 supervariables : {1,2,3}, {4,5}, {6,7,8}

5

8

7

6

54

3

2

1 2 3 4 5 6 7 8

1

1 2 3 4 5 6 7 8

(sum of two overlapping elements)

F i g u r e 3 : S u p e r v a r i a b l e d e t e c t i o n f o r m a t r i c e s i n e l e m e n t a l f o r m a t .

1 4


17/32

G r a p h s i z e i s t w i c e t h e n u m b e r o f o - d i a g o n a l e n t r i e s i n t h e c o r r e s p o n d i n g a s s e m b l e d m a t r i x .

T h e w o r k i n g s p a c e r e q u i r e d b y t h e a n a l y s i s p h a s e u s i n g t h e A M D o r d e r i n g i s d o m i n a t e d b y

t h e s p a c e r e q u i r e d b y t h e o r d e r i n g p h a s e a n d i s G r a p h s i z e p l u s a n o v e r h e a d t h a t i s a s m a l l

m u l t i p l e o f t h e o r d e r o f m a t r i x . S i n c e t h e o r d e r i n g i s p e r f o r m e d o n a s i n g l e p r o c e s s o r , t h e s p a c e

r e q u i r e d t o c o m p u t e t h e o r d e r i n g i s t h e m o s t m e m o r y i n t e n s i v e p a r t o f t h e a n a l y s i s p h a s e . W i t h

s u p e r v a r i a b l e d e t e c t i o n , t h e c o m p l e t e u n c o m p r e s s e d g r a p h n e e d n o t b e b u i l t s i n c e t h e o r d e r i n g

p h a s e c a n o p e r a t e d i r e c t l y o n t h e c o m p r e s s e d g r a p h . T a b l e 9 s h o w s t h a t , o n l a r g e g r a p h s ,

c o m p r e s s i o n c a n r e d u c e t h e m e m o r y r e q u i r e m e n t s o f t h e a n a l y s i s p h a s e d r a m a t i c a l l y .

T a b l e 1 0 s h o w s t h e i m p a c t o f u s i n g s u p e r v a r i a b l e s o n t h e t i m e f o r t h e c o m p l e t e a n a l y s i s

p h a s e ( i n c l u d i n g g r a p h c o m p r e s s i o n a n d o r d e r i n g ) . W e s e e t h a t t h e r e d u c t i o n i n t i m e i s n o t

o n l y d u e t o t h e r e d u c e d t i m e f o r o r d e r i n g ; s i g n i c a n t l y l e s s t i m e i s a l s o n e e d e d f o r b u i l d i n g t h e

m u c h s m a l l e r a d j a c e n c y g r a p h o f t h e s u p e r v a r i a b l e s .

T i m e f o r a n a l y s i s

M a t r i x s u p e r v a r i a b l e d e t e c t i o n

O F F O N

m t 1 . r s e 4 . 6 ( 1 . 8 ) 1 . 5 ( 0 . 3 )

s h i p 0 0 3 . r s e 7 . 4 ( 2 . 8 ) 3 . 2 ( 0 . 7 )

s h i p s e c 1 . r s e 6 . 0 ( 2 . 2 ) 2 . 6 ( 0 . 6 )

s h i p s e c 5 . r s e 1 0 . 1 ( 4 . 6 ) 3 . 9 ( 0 . 8 )

s h i p s e c 8 . r s e 5 . 7 ( 2 . 0 ) 2 . 6 ( 0 . 5 )

t h r e a d . r s e 2 . 6 ( 0 . 9 ) 1 . 2 ( 0 . 2 )

x 1 0 4 . r s e 6 . 4 ( 3 . 5 ) 1 . 5 ( 0 . 3 )

T a b l e 1 0 : I m p a c t o f s u p e r v a r i a b l e d e t e c t i o n o n t h e t i m e ( i n s e c o n d s ) f o r t h e a n a l y s i s

p h a s e o n t h e S G I O r i g i n 2 0 0 0 . T h e t i m e s p e n t i n t h e A M D o r d e r i n g i s i n p a r e n t h e s e s .

T h e o v e r a l l t i m e s p e n t i n t h e a s s e m b l y p r o c e s s f o r m a t r i c e s i n e l e m e n t a l f o r m a t w i l l d i e r

f r o m t h e o v e r a l l t i m e s p e n t i n t h e a s s e m b l y p r o c e s s f o r t h e e q u i v a l e n t a s s e m b l e d m a t r i x .

O b v i o u s l y , f o r t h e m a t r i c e s i n e l e m e n t a l f o r m a t t h e r e i s o f t e n s i g n i c a n t l y m o r e d a t a t o a s s e m b l e

( u s u a l l y a b o u t t w i c e t h e n u m b e r o f e n t r i e s a s f o r t h e s a m e m a t r i x i n a s s e m b l e d f o r m a t ) .

H o w e v e r , t h e a s s e m b l y p r o c e s s o f m a t r i c e s i n e l e m e n t a l f o r m a t s h o u l d b e p e r f o r m e d m o r e

e c i e n t l y t h a n t h e a s s e m b l y p r o c e s s o f a s s e m b l e d m a t r i c e s . F i r s t , b e c a u s e w e p o t e n t i a l l y

a s s e m b l e a t o n c e a l a r g e r a n d m o r e r e g u l a r s t r u c t u r e ( a f u l l m a t r i x ) . S e c o n d , b e c a u s e m o s t i n p u t

d a t a w i l l b e a s s e m b l e d a t o r n e a r l e a f n o d e s i n t h e a s s e m b l y t r e e . T h i s h a s t w o c o n s e q u e n c e s .

T h e a s s e m b l i e s a r e p e r f o r m e d i n a m o r e d i s t r i b u t e d w a y a n d m o s t a s s e m b l i e s o f o r i g i n a l e l e m e n t

m a t r i c e s a r e d o n e a t t y p e 1 n o d e s . ( H e n c e , l e s s d u p l i c a t i o n o f o r i g i n a l m a t r i x d a t a i s n e c e s s a r y . )

A m o r e d e t a i l e d a n a l y s i s o f t h e d u p l i c a t i o n i s s u e s l i n k e d t o m a t r i c e s i n e l e m e n t a l f o r m a t w i l l b e

a d d r e s s e d i n S e c t i o n 8 . I n o u r e x p e r i m e n t s ( n o t s h o w n h e r e ) , w e h a v e o b s e r v e d t h a t , d e s p i t e t h e

d i e r e n c e s i n t h e a s s e m b l y p r o c e s s , t h e p e r f o r m a n c e o f M U M P S f o r a s s e m b l e d a n d u n a s s e m b l e d

p r o b l e m s i s v e r y s i m i l a r , p r o v i d e d t h e s a m e o r d e r i n g i s u s e d . T h e r e a s o n f o r t h i s i s t h a t t h e e x t r a

a m o u n t o f a s s e m b l i e s o f o r i g i n a l d a t a f o r u n a s s e m b l e d p r o b l e m s i s r e l a t i v e l y s m a l l c o m p a r e d t o

t h e t o t a l n u m b e r o f o p s .

T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n T a b l e s 1 1 a n d 1 2 , o b t a i n e d o n t h e S G I O r i g i n 2 0 0 0 , s h o w t h e

g o o d s c a l a b i l i t y o f t h e c o d e f o r b o t h t h e f a c t o r i z a t i o n a n d t h e s o l u t i o n p h a s e s o n o u r s e t o f

u n a s s e m b l e d m a t r i c e s .

1 5


18/32

M a t r i x N u m b e r o f p r o c e s s o r s

1 2 4 8 1 6

m t 1 . r s e 9 2 5 6 3 0 1 8 1 7

s h i p 0 0 3 . r s e 3 9 2 2 4 2 1 5 6 1 2 0 9 2

s h i p s e c 1 . r s e 1 7 4 1 2 8 6 5 3 6 2 7

s h i p s e c 5 . r s e 2 8 1 1 7 6 1 1 4 6 3 4 3

s h i p s e c 8 . r s e 1 8 7 1 2 7 6 8 3 6 3 0

t h r e a d . r s e 1 8 6 1 2 0 6 9 4 6 3 7

x 1 0 4 . r s e 5 6 3 4 2 0 1 6 1 6

T a b l e 1 1 : T i m e ( i n s e c o n d s ) f o r f a c t o r i z a t i o n o f t h e u n a s s e m b l e d m a t r i c e s o n t h e S G I

O r i g i n 2 0 0 0 . M F R o r d e r i n g i s u s e d .

M a t r i x N u m b e r o f p r o c e s s o r s

1 2 4 8 1 6

m t 1 . r s e 3 . 5 2 . 1 1 . 1 1 . 2 0 . 8

s h i p 0 0 3 . r s e 6 . 9 3 . 6 3 . 3 2 . 5 2 . 0

s h i p s e c 1 . r s e 3 . 8 3 . 1 2 . 1 1 . 6 1 . 5

s h i p s e c 5 . r s e 5 . 5 4 . 2 2 . 9 2 . 2 1 . 9

s h i p s e c 8 . r s e 3 . 8 3 . 1 2 . 0 1 . 4 1 . 3

t h r e a d . r s e 2 . 3 1 . 9 1 . 3 1 . 0 0 . 8

x 1 0 4 . r s e 2 . 6 1 . 9 1 . 4 1 . 0 1 . 1

T a b l e 1 2 : T i m e ( i n s e c o n d s ) f o r t h e s o l u t i o n p h a s e o f t h e u n a s s e m b l e d m a t r i c e s o n

t h e S G I O r i g i n 2 0 0 0 . M F R o r d e r i n g i s u s e d .

1 6


19/32

7 D i s t r i b u t e d a s s e m b l e d m a t r i x

T h e d i s t r i b u t i o n o f t h e i n p u t m a t r i x o v e r t h e a v a i l a b l e p r o c e s s o r s i s t h e m a i n p r e p r o c e s s i n g

s t e p i n t h e n u m e r i c a l f a c t o r i z a t i o n p h a s e . D u r i n g t h i s s t e p , t h e i n p u t m a t r i x i s o r g a n i z e d i n t o

a r r o w h e a d f o r m a t a n d d i s t r i b u t e d a c c o r d i n g t o t h e m a p p i n g p r o v i d e d b y t h e a n a l y s i s p h a s e . I n

t h e s y m m e t r i c c a s e , t h e r s t a r r o w h e a d o f e a c h f r o n t a l m a t r i x i s a l s o s o r t e d t o e n a b l e e c i e n t

a s s e m b l y 5 ] . I f t h e a s s e m b l e d m a t r i x i s i n i t i a l l y h e l d c e n t r a l l y o n t h e h o s t , w e h a v e o b s e r v e d

t h a t t h e t i m e t o d i s t r i b u t e t h e r e a l e n t r i e s o f t h e o r i g i n a l m a t r i x c a n s o m e t i m e s b e c o m p a r a b l e

t o t h e t i m e t o p e r f o r m t h e a c t u a l f a c t o r i z a t i o n . F o r e x a m p l e , f o r m a t r i x o i l p a n , t h e t i m e t o

d i s t r i b u t e t h e i n p u t m a t r i x o n 1 6 p r o c e s s o r s o f t h e I B M S P 2 i s o n a v e r a g e 6 s e c o n d s w h e r e a s

t h e t i m e t o f a c t o r i z e t h e m a t r i x i s 6 . 8 s e c o n d s ( u s i n g A M D o r d e r i n g , s e e T a b l e 7 ) . C l e a r l y ,

f o r l a r g e r p r o b l e m s w h e r e m o r e a r i t h m e t i c i s r e q u i r e d f o r t h e a c t u a l f a c t o r i z a t i o n , t h e t i m e f o r

f a c t o r i z a t i o n w i l l d o m i n a t e t h e t i m e f o r r e d i s t r i b u t i o n .

W i t h a d i s t r i b u t e d i n p u t m a t r i x f o r m a t w e c a n e x p e c t t o r e d u c e t h e t i m e f o r t h e

r e d i s t r i b u t i o n p h a s e b e c a u s e w e c a n p a r a l l e l i z e t h e r e f o r m a t t i n g a n d s o r t i n g t a s k s , a n d w e

c a n u s e a s y n c h r o n o u s a l l - t o - a l l ( i n s t e a d o f o n e - t o - a l l ) c o m m u n i c a t i o n s . F u r t h e r m o r e , w e c a n

e x p e c t t o s o l v e l a r g e r p r o b l e m s s i n c e s t o r i n g t h e c o m p l e t e m a t r i x o n o n e p r o c e s s o r l i m i t s t h e

s i z e o f t h e p r o b l e m t h a t c a n b e s o l v e d o n a d i s t r i b u t e d m e m o r y c o m p u t e r . T h u s , t o i m p r o v e

b o t h t h e m e m o r y a n d t h e t i m e s c a l a b i l i t y o f o u r a p p r o a c h , w e s h o u l d a l l o w t h e i n p u t m a t r i x

t o b e d i s t r i b u t e d .

B a s e d o n t h e s t a t i c m a p p i n g o f t h e t a s k s t o p r o c e s s e s t h a t i s c o m p u t e d d u r i n g t h e a n a l y i s

p h a s e , o n e c a n a p r i o r i d i s t r i b u t e t h e i n p u t d a t a s o t h a t n o f u r t h e r r e m a p p i n g i s r e q u i r e d a t

t h e b e g i n n i n g o f t h e f a c t o r i z a t i o n . T h i s d i s t r i b u t i o n , r e f e r r e d t o a s t h e M U M P S m a p p i n g , w i l l

l i m i t t h e c o m m u n i c a t i o n t o d u p l i c a t i o n s o f t h e o r i g i n a l m a t r i x c o r r e s p o n d i n g t o t y p e 2 n o d e s

( f u r t h e r s t u d i e d i n S e c t i o n 8 ) .

T o s h o w t h e i n u e n c e o f t h e i n i t i a l m a t r i x d i s t r i b u t i o n o n t h e t i m e f o r r e d i s t r i b u t i o n , w e

c o m p a r e , i n F i g u r e 4 , t h r e e w a y s f o r p r o v i d i n g t h e i n p u t m a t r i x :

1 . C e n t r a l i z e d m a p p i n g : t h e i n p u t m a t r i x i s h e l d o n o n e p r o c e s s ( t h e h o s t ) .

2 M U M P S m a p p i n g : t h e i n p u t m a t r i x i s d i s t r i b u t e d o v e r t h e p r o c e s s e s a c c o r d i n g t o t h e s t a t i c

m a p p i n g t h a t i s c o m p u t e d d u r i n g t h e a n a l y s i s p h a s e .

3 . R a n d o m m a p p i n g : t h e i n p u t m a t r i x i s u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d o v e r t h e p r o c e s s e s i n a

r a n d o m m a n n e r t h a t h a s n o c o r r e l a t i o n t o t h e m a p p i n g c o m p u t e d d u r i n g t h e a n a l y s i s

p h a s e .

T h e g u r e c l e a r l y s h o w s t h e b e n e t o f u s i n g a s y n c h r o n o u s a l l - t o - a l l c o m m u n i c a t i o n s ( r e q u i r e d

b y t h e M U M P S a n d r a n d o m m a p p i n g s ) c o m p a r e d t o u s i n g o n e - t o - a l l c o m m u n i c a t i o n s ( f o r t h e

c e n t r a l i z e d m a p p i n g ) . I t i s e v e n m o r e i n t e r e s t i n g t o o b s e r v e t h a t d i s t r i b u t i n g t h e i n p u t m a t r i x

a c c o r d i n g t o t h e M U M P S m a p p i n g d o e s n o t s i g n i c a n t l y r e d u c e t h e t i m e f o r r e d i s t r i b u t i o n .

W e a t t r i b u t e t h i s t o t h e g o o d o v e r l a p p i n g o f c o m m u n i c a t i o n w i t h c o m p u t a t i o n ( m a i n l y d a t a

r e f o r m a t t i n g a n d s o r t i n g ) i n o u r r e d i s t r i b u t i o n a l g o r i t h m .

1 7


20/32

0 4 8 12 16 20 24 28 32

Number of Processors

0

1

2

3

4

5

6

7

Distributiontime(seconds)

Centralized matrix

using MUMPS mapping

Random mapping

F i g u r e 4 : I m p a c t o f t h e i n i t i a l d i s t r i b u t i o n f o r m a t r i x o i l p a n o n t h e t i m e f o r r e d i s t r i b u t i o n o n

t h e I B M S P 2 .

1 8


21/32

8 M e m o r y s c a l a b i l i t y i s s u e s

I n t h i s s e c t i o n , w e s t u d y t h e m e m o r y r e q u i r e m e n t s a n d m e m o r y s c a l a b i l i t y o f o u r a l g o r i t h m s .

F i g u r e 5 i l l u s t r a t e s h o w M U M P S b a l a n c e s t h e m e m o r y l o a d o v e r t h e p r o c e s s o r s . T h e g u r e

s h o w s , f o r t w o m a t r i c e s , t h e m a x i m u m m e m o r y r e q u i r e d o n a p r o c e s s o r a n d t h e a v e r a g e o v e r

a l l p r o c e s s o r s , a s a f u n c t i o n o f t h e n u m b e r o f p r o c e s s o r s . W e o b s e r v e t h a t , f o r v a r y i n g n u m b e r s

o f p r o c e s s o r s , t h e s e v a l u e s a r e q u i t e s i m i l a r .

b m w 3 2 b m w c r a 1

0 8 16 24 32


0

50

100

150

200

250

Sizeofto

talspace(Mbytes)

Maximum

Average

0 4 8 12 16 20 24 28 32


0

100

200

300

400

500

600

700

800

Sizeofto

talspace(Mbytes)

Maximum

Average

F i g u r e 5 : T o t a l m e m o r y r e q u i r e m e n t p e r p r o c e s s o r ( m a x i m u m a n d a v e r a g e ) d u r i n g f a c t o r i z a t i o n

( N D o r d e r i n g ) .

T a b l e 1 3 s h o w s t h e a v e r a g e s i z e p e r p r o c e s s o r o f t h e m a i n c o m p o n e n t s o f t h e w o r k i n g s p a c e

u s e d d u r i n g t h e f a c t o r i z a t i o n o f t h e m a t r i x b m w 3 2 . T h e s e c o m p o n e n t s a r e :

F a c t o r s : t h e s p a c e r e s e r v e d f o r t h e f a c t o r s ; a p r o c e s s o r d o e s n o t k n o w a f t e r t h e a n a l y s i s

p h a s e i n w h i c h t y p e 2 n o d e s i t w i l l p a r t i c i p a t e , a n d t h e r e f o r e i t r e s e r v e s e n o u g h s p a c e t o

b e a b l e t o p a r t i c i p a t e i n a l l t y p e 2 n o d e s .

S t a c k a r e a : t h e s p a c e u s e d f o r s t a c k i n g b o t h t h e c o n t r i b u t i o n b l o c k s a n d t h e f a c t o r s .

I n i t i a l m a t r i x : t h e s p a c e r e q u i r e d t o s t o r e t h e i n i t i a l m a t r i x i n a r r o w h e a d f o r m a t .

C o m m u n i c a t i o n b u f f e r s : t h e s p a c e a l l o c a t e d f o r b o t h s e n d a n d r e c e i v e b u e r s .

O t h e r : t h e s i z e o f a l l t h e r e m a i n i n g w o r k s p a c e a l l o c a t e d p e r p r o c e s s o r .

T o t a l : t h e t o t a l m e m o r y r e q u i r e d p e r p r o c e s s o r .

T h e l i n e s i d e a l i n T a b l e 1 3 a r e o b t a i n e d b y d i v i d i n g t h e m e m o r y r e q u i r e m e n t o n o n e p r o c e s s o r

b y t h e n u m b e r o f p r o c e s s o r s . B y c o m p a r i n g t h e a c t u a l a n d i d e a l n u m b e r s , w e g e t a n i d e a h o w

M U M P S s c a l e s i n t e r m s o f m e m o r y f o r s o m e o f t h e c o m p o n e n t s .

1 9


22/32

N u m b e r o f p r o c e s s o r s 1 2 4 8 1 6 2 4 3 2

F a c t o r s 4 2 3 2 1 1 1 0 7 5 8 3 5 3 1 3 1

i d e a l - 2 1 1 1 0 6 5 3 2 6 1 8 1 3

S t a c k a r e a 5 0 2 2 9 4 1 7 2 9 2 5 1 3 9 3 8

i d e a l - 2 5 1 1 2 6 6 3 3 1 2 1 1 6

I n i t i a l m a t r i x 6 9 3 4 . 5 1 7 . 3 8 . 9 5 . 0 4 . 0 3 . 5

i d e a l - 3 4 . 5 1 7 . 3 8 . 6 4 . 3 2 . 9 2 . 2

C o m m u n i c a t i o n b u f f e r s 0 4 5 3 4 1 4 6 6 5

O t h e r 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0

T o t a l 5 9 0 3 9 4 2 4 3 1 3 5 8 2 6 9 6 7

i d e a l - 2 9 5 1 4 7 7 4 3 7 2 5 1 8

T a b l e 1 3 : A n a l y s i s o f t h e m e m o r y u s e d d u r i n g f a c t o r i z a t i o n o f m a t r i x b m w 3 2 ( N D o r d e r i n g ) .

A l l s i z e s a r e i n M B y t e s p e r p r o c e s s o r .

W e s e e t h a t , e v e n i f t h e t o t a l m e m o r y ( s u m o f a l l t h e l o c a l w o r k s p a c e s ) i n c r e a s e s , t h e a v e r a g e

m e m o r y r e q u i r e d p e r p r o c e s s o r s i g n i c a n t l y d e c r e a s e s u p t o 2 4 p r o c e s s o r s . W e a l s o s e e t h a t

t h e s i z e f o r t h e f a c t o r s a n d t h e s t a c k a r e a a r e m u c h l a r g e r t h a n i d e a l . P a r t o f t h i s d i e r e n c e

i s d u e t o p a r a l l e l i s m a n d i s u n a v o i d a b l e . A n o t h e r p a r t , h o w e v e r , i s d u e t o a n o v e r e s t i m a t i o n

o f t h e s p a c e r e q u i r e d . T h e m a i n r e a s o n f o r t h i s i s t h a t t h e m a p p i n g o f t h e t y p e 2 n o d e s o n

t h e p r o c e s s o r s i s n o t k n o w n a t a n a l y s i s a n d e a c h p r o c e s s o r c a n p o t e n t i a l l y p a r t i c i p a t e i n t h e

e l i m i n a t i o n o f a n y t y p e 2 n o d e . T h e r e f o r e , e a c h p r o c e s s o r a l l o c a t e s e n o u g h s p a c e t o b e a b l e

t o p a r t i c i p a t e i n a l l t y p e 2 n o d e s . T h e w o r k i n g s p a c e t h a t i s a c t u a l l y u s e d i s s m a l l e r a n d , o n

a l a r g e n u m b e r o f p r o c e s s o r s , w e c o u l d r e d u c e t h e e s t i m a t e f o r b o t h t h e f a c t o r s a n d t h e s t a c k

a r e a . F o r e x a m p l e , w e h a v e s u c c e s s f u l l y f a c t o r i z e d m a t r i x b m w 3 2 o n 3 2 p r o c e s s o r s w i t h a

s t a c k a r e a t h a t i s 2 0 % s m a l l e r t h a n r e p o r t e d i n T a b l e 1 3 .

T h e a v e r a g e w o r k i n g s p a c e u s e d b y t h e c o m m u n i c a t i o n b u e r s a l s o s i g n i c a n t l y d e c r e a s e s

u p t o 1 6 p r o c e s s o r s . T h i s i s m a i n l y d u e t o t y p e 2 n o d e p a r a l l e l i s m w h e r e c o n t r i b u t i o n b l o c k s

a r e s p l i t a m o n g p r o c e s s o r s u n t i l a m i n i m u m g r a n u l a r i t y i s r e a c h e d . T h e r e f o r e , w h e n w e i n c r e a s e

t h e n u m b e r o f p r o c e s s o r s , w e d e c r e a s e ( u n t i l r e a c h i n g t h i s m i n i m u m g r a n u l a r i t y ) t h e s i z e o f t h e

c o n t r i b u t i o n b l o c k s s e n t b e t w e e n p r o c e s s o r s . N o t e t h a t o n l a r g e r p r o b l e m s , t h e a v e r a g e s i z e

p e r p r o c e s s o r o f t h e c o m m u n i c a t i o n b u e r s w i l l c o n t i n u e t o d e c r e a s e f o r a l a r g e r n u m b e r o f

p r o c e s s o r s . W e s e e , a s e x p e c t e d , t h a t t h e l i n e O t h e r d o e s n o t s c a l e a t a l l s i n c e i t c o r r e s p o n d s

t o d a t a a r r a y s o f s i z e O ( n ) t h a t n e e d t o b e a l l o c a t e d o n e a c h p r o c e s s . W e s e e t h a t t h i s s p a c e

s i g n i c a n t l y a e c t s t h e d i e r e n c e b e t w e e n T o t a l a n d i d e a l , e s p e c i a l l y f o r l a r g e r n u m b e r s o f

p r o c e s s o r s . H o w e v e r , t h e r e l a t i v e i n u e n c e o f t h i s x e d s i z e a r e a w i l l b e s m a l l e r o n l a r g e m a t r i c e s

f r o m 3 D s i m u l a t i o n s a n d t h e r e f o r e d o e s n o t a e c t t h e a s y m p t o t i c s c a l a b i l i t y o f t h e a l g o r i t h m .

T h e i m p e r f e c t s c a l a b i l i t y o f t h e i n i t i a l m a t r i x s t o r a g e c o m e s f r o m t h e d u p l i c a t i o n o f t h e

o r i g i n a l m a t r i x d a t a t h a t i s l i n k e d t o t y p e 2 n o d e s i n t h e a s s e m b l y t r e e . W e w i l l s t u d y t h i s i n

m o r e d e t a i l i n t h e r e m a i n d e r o f t h i s s e c t i o n . W e w a n t t o s t r e s s , h o w e v e r , t h a t f r o m a u s e r p o i n t

o f v i e w , a l l n u m b e r s

Documents

02 A fully asynchronous multifrontal solver using distributed dynamic scheduling.pdf