Résolution de systèmes linéaires et non linéaires creux sur grappes de GPUs

Solving sparse linear and nonlinear systems on GPU clusters

• Auteur / Autrice : Lilia Ziane Khodja
• Direction : Raphaël Couturier, Jacques Bahi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 07/06/2013
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Cyrille Héam
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël Couturier, Jacques Bahi, Jens Gustedt, Frédéric Magoulès, Pierre Spitéri, Ming Chau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jens Gustedt, Frédéric Magoulès

Mots clés

Mots clés libres

Systèmes linéaires et non linéaires creux

Méthodes itératives

Parallélisme MPI/CUDA

Grappes de GPUs

Sparse linear and nonlinear systems

Iterative methods

MPI/CUDA parallelism

GPU clusters

Résumé

Depuis quelques années, les grappes équipées de processeurs graphiques GPUs sont devenues des outils très attrayants pour le calcul parallèle haute performance. Dans cette thèse, nous avons conçu des algorithmes itératifs parallèles pour la résolution de systèmes linéaires et non linéaires creux de très grandes tailles sur grappes de GPUs. Dans un premier temps, nous nous sommes focalisés sur la résolution de systèmes linéaires creux à l'aide des méthodes itératives CG et GMRES. Les expérimentations ont montré qu'une grappe de GPUs est plus performante que son homologue grappe de CPUs pour la résolution de systèmes linéaires de très grandes tailles. Ensuite, nous avons mis en oeuvre des algorithmes parallèles synchrones et asynchrones des méthodes itératives Richardson et de relaxation par blocs pour la résolution de systèmes non linéaires creux. Nous avons constaté que les meilleurs solutions développées pour les CPUs ne sont pas nécessairement bien adaptées aux GPUs. En effet, les simulations effectuées sur une grappe de GPUs ont montré que les algorithmes Richardson sont largement plus efficaces que ceux de relaxation par blocs. De plus, elles ont aussi montré que la puissance de calcul des GPUs permet de réduire le rapport entre le temps d'exécution et celui de communication, ce qui favorise l'utilisation des algorithmes asynchrones sur des grappes de GPUs. Enfin, nous nous sommes intéressés aux grappes géographiquement distantes pour la résolution de systèmes linéaires creux. Dans ce contexte, nous avons utilisé la méthode de multi-décomposition à deux niveaux avec GMRES parallèle adaptée aux grappes de GPUs. Celle-ci utilise des itérations synchrones pour résoudre localement les sous-systèmes linéaires et des itérations asynchrones pour résoudre la globalité du système linéaire.

Or the past few years, the clusters equipped with GPUs have become attractive tools for high performance computing. In this thesis, we have designed parallel iterative algorithms for solving large sparse linear and nonlinear systems on GPU clusters. First, we have focused on solving sparse linear systems using CG and GMRES iterative methods. The experiments have shown that a GPU cluster is more efficient that its pure CPU counterpart for solving large sparse systems of linear equations. Then, we have implemented the synchronous and asynchronous algorithms of the Richardson and the block relaxation iterative methods for solving sparse nonlinear systems. We have noticed that the best solutions developed for the CPUs are not necessarily well suited to GPUs. Indeed, the experiments performed on a GPU cluster have shown that the parallel algorithms of the Richardson method are far more efficient than those of the block relaxation method. In addition, they have shown that the computing power of GPUs allows to reduce the ratio between the time of the computation over that of the communication, which favors the use of the asynchronous iteration on GPU clusters. Finally, we are interested in geographically distant clusters for solving large sparse linear systems. In this context, we have used a multisplitting two-stage method using parallel GMRES method adapted to GPU clusters. It uses the synchronous iteration to solve locally the sub-linear systems and the asynchronous one to solve the global sparse linear system.