On the use of low-rank arithmetic to reduce the complexity of parallel sparse linear solvers based on direct factorization techniques

par Grégoire Pichon

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Pierre Ramet et de Mathieu Faverge.

Le président du jury était Stéphane Lanteri.

Le jury était composé de Alfredo Buttari, François Pellegrini.

Les rapporteurs étaient Esmond G. Ng, Youcef Saad.

  • Titre traduit

    Utilisation de la compression low-rank pour réduire la complexité des solveurs creux parallèles basés sur des techniques de factorisation directes.


  • Résumé

    La résolution de systèmes linéaires creux est un problème qui apparaît dans de nombreuses applications scientifiques, et les solveurs creux sont une étape coûteuse pour ces applications ainsi que pour des solveurs plus avancés comme les solveurs hybrides direct-itératif. Pour ces raisons, optimiser la performance de ces solveurs pour les architectures modernes est un problème critique. Cependant, les contraintes mémoire et le temps de résolution limitent l’utilisation de ce type de solveur pour des problèmes de très grande taille. Pour les approches concurrentes, par exemple les méthodes itératives, des préconditionneurs garantissant une bonne convergence pour un large ensemble de problèmes sont toujours inexistants. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons deux approches exploitant la compression Block Low-Rank (BLR) pour réduire la consommation mémoire et/ou le temps de résolution d’un solveur creux. Ce format de compression à plat, sans hiérarchie, permet de tirer profit du caractère low-rank des blocs apparaissant dans la factorisation de systèmes linéaires creux. La solution proposée peut être utilisée soit en tant que solveur direct avec une précision réduite, soit comme un préconditionneur très robuste. La première approche, appelée Minimal Memory, illustre le meilleur gain mémoire atteignable avec la compression BLR, alors que la seconde approche, appelée Just-In-Time, est dédiée à la réduction du nombre d’opérations, et donc du temps de résolution. Dans la seconde partie, nous présentons une stratégie de reordering qui augmente la granularité des blocs pour tirer davantage profit de la localité dans l’utilisation d’architectures multi-coeurs et pour fournir de tâches plus volumineuses aux GPUs. Cette stratégie s’appuie sur la factorisation symbolique par blocs pour raffiner la numérotation produite par des outils de partitionnement comme Metis ou Scotch, et ne modifie pas le nombre d’opérations nécessaires à la résolution du problème. A partir de cette approche, nous proposons dans la troisième partie de ce manuscrit une technique de clustering low-rank qui a pour objectif de former des clusters d’inconnues au sein d’un séparateur. Nous démontrons notamment les intérêts d’une telle approche par rapport aux techniques de clustering classiquement utilisées. Ces deux stratégies ont été développées pour le format à plat BLR, mais sont également une première étape pour le passage à un format hiérarchique. Dans la dernière partie de cette thèse, nous nous intéressons à une modification de la technique de dissection emboîtée afin d’aligner les séparateurs par rapport à leur père pour obtenir des structures de données plus régulières.


  • Résumé

    Solving sparse linear systems is a problem that arises in many scientific applications, and sparse direct solvers are a time consuming and key kernel for those applications and for more advanced solvers such as hybrid direct-iterative solvers. For those reasons, optimizing their performance on modern architectures is critical. However, memory requirements and time-to-solution limit the use of direct methods for very large matrices. For other approaches, such as iterative methods, general black-box preconditioners that can ensure fast convergence for a wide range of problems are still missing. In the first part of this thesis, we present two approaches using a Block Low-Rank (BLR) compression technique to reduce the memory footprint and/or the time-to-solution of a supernodal sparse direct solver. This flat, non-hierarchical, compression method allows to take advantage of the low-rank property of the blocks appearing during the factorization of sparse linear systems. The proposed solver can be used either as a direct solver at a lower precision or as a very robust preconditioner. The first approach, called Minimal Memory, illustrates the maximum memory gain that can be obtained with the BLR compression method, while the second approach, called Just-In-Time, mainly focuses on reducing the computational complexity and thus the time-to-solution. In the second part, we present a reordering strategy that increases the block granularity to better take advantage of the locality for multicores and provide larger tasks to GPUs. This strategy relies on the block-symbolic factorization to refine the ordering produced by tools such as Metis or Scotch, but it does not impact the number of operations required to solve the problem. From this approach, we propose in the third part of this manuscript a new low-rank clustering technique that is designed to cluster unknowns within a separator to obtain the BLR partition, and demonstrate its assets with respect to widely used clustering strategies. Both reordering and clustering where designed for the flat BLR representation but are also a first step to move to hierarchical formats. We investigate in the last part of this thesis a modified nested dissection strategy that aligns separators with respect to their father to obtain more regular data structure.


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