Un solveur parallèle itératif pour les grands systèmes linéaires creux, amélioré par la randomisation et l'utilisation des accélérateurs GPU, et sa résilience aux fautes logicielles

A parallel iterative solver for large sparse linear systems enhanced with randomization and GPU accelerator, and its resilience to soft errors

• Auteur / Autrice : Aygul Jamal
• Direction : Marc Baboulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 28/09/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne ; 1998-2020)
• Jury : Président / Présidente : Florent Hivert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Baboulin, Florent Hivert, Fabienne Jézéquel, José Enrique Román Moltó, Amal Khabou, Camille Coti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Jézéquel, José Enrique Román Moltó

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tolérance aux fautes (informatique)

Algèbre linéaire creuse

Processeurs graphiques

Algorithmes parallèles

Mots clés libres

Calcul haute performance

Solveurs linéaires itératifs parallèles

Algorithmes randomisés

Calculs sur GPU

GMRES flexible

Modèles de fautes logicielles

Solveur pARMS

Preconditionnement

Tolérance aux fautes

High performance computing

Parallel iterative linear solvers

Randomized algorithms

GPU computing

Flexible GMRES

Soft fault models

PARMS solver

Preconditioning

Fault tolerance

Résumé

Dans cette thèse de doctorat, nous abordons trois défis auxquels sont confrontés les solveurs d'algèbres linéaires dans la perspective des futurs systèmes exascale: accélérer la convergence en utilisant des techniques innovantes au niveau algorithmique, en profitant des accélérateurs GPU (Graphics Processing Units) pour améliorer le calcul sur plusieurs systèmes, en évaluant l'impact des erreurs due à l'augmentation du parallélisme dans les superordinateurs. Nous nous intéressons à l'étude des méthodes permettant d'accélérer la convergence et le temps d'exécution des solveurs itératifs pour les grands systèmes linéaires creux. Le solveur plus spécifiquement considéré dans ce travail est le “parallel Algebraic Recursive Multilevel Solver (pARMS)” qui est un soldeur parallèle sur mémoire distribuée basé sur les méthodes de sous-espace de Krylov.Tout d'abord, nous proposons d'intégrer une technique de randomisation appelée “Random Butterfly Transformations (RBT)” qui a été proposée avec succès pour éliminer le coût du pivotage dans la résolution des systèmes linéaires denses. Notre objectif est d'appliquer cette technique dans le préconditionneur ARMS de pARMS pour résoudre plus efficacement le dernier système Complément de Schur dans l'application du processus à multi-niveaux récursif. En raison de l'importance considérable du dernier Complément de Schur pour certains problèmes de test, nous proposons également d'utiliser une variante creux de RBT suivie d'un solveur direct creux (SuperLU). Les résultats expérimentaux sur certaines matrices de la collection de Davis montrent une amélioration de la convergence et de la précision par rapport aux implémentations existantes.Ensuite, nous illustrons comment une approche non intrusive peut être appliquée pour implémenter des calculs GPU dans le solveur pARMS, plus particulièrement pour la phase de préconditionnement locale qui représente une partie importante du temps pour la résolution. Nous comparons les solveurs purement CPU avec les solveurs hybrides CPU / GPU sur plusieurs problèmes de test issus d'applications physiques. Les résultats de performance du solveur hybride CPU / GPU utilisant le préconditionnement ARMS combiné avec RBT, ou le préconditionnement ILU(0), montrent un gain de performance jusqu'à 30% sur les problèmes de test considérés dans nos expériences.Enfin, nous étudions l'effet des défaillances logicielles variable sur la convergence de la méthode itérative flexible GMRES (FGMRES) qui est couramment utilisée pour résoudre le système préconditionné dans pARMS. Le problème ciblé dans nos expériences est un problème elliptique PDE sur une grille régulière. Nous considérons deux types de préconditionneurs: une factorisation LU incomplète à double seuil (ILUT) et le préconditionneur ARMS combiné avec randomisation RBT. Nous considérons deux modèle de fautes logicielles différentes où nous perturbons la multiplication du vecteur matriciel et la phase de préconditionnement, et nous comparons leur impact potentiel sur la convergence.

In this PhD thesis, we address three challenges faced by linear algebra solvers in the perspective of future exascale systems: accelerating convergence using innovative techniques at the algorithm level, taking advantage of GPU (Graphics Processing Units) accelerators to enhance the performance of computations on hybrid CPU/GPU systems, evaluating the impact of errors in the context of an increasing level of parallelism in supercomputers. We are interested in studying methods that enable us to accelerate convergence and execution time of iterative solvers for large sparse linear systems. The solver specifically considered in this work is the parallel Algebraic Recursive Multilevel Solver (pARMS), which is a distributed-memory parallel solver based on Krylov subspace methods.First we integrate a randomization technique referred to as Random Butterfly Transformations (RBT) that has been successfully applied to remove the cost of pivoting in the solution of dense linear systems. Our objective is to apply this method in the ARMS preconditioner to solve more efficiently the last Schur complement system in the application of the recursive multilevel process in pARMS. The experimental results show an improvement of the convergence and the accuracy. Due to memory concerns for some test problems, we also propose to use a sparse variant of RBT followed by a sparse direct solver (SuperLU), resulting in an improvement of the execution time.Then we explain how a non intrusive approach can be applied to implement GPU computing into the pARMS solver, more especially for the local preconditioning phase that represents a significant part of the time to compute the solution. We compare the CPU-only and hybrid CPU/GPU variant of the solver on several test problems coming from physical applications. The performance results of the hybrid CPU/GPU solver using the ARMS preconditioning combined with RBT, or the ILU(0) preconditioning, show a performance gain of up to 30% on the test problems considered in our experiments.Finally we study the effect of soft fault errors on the convergence of the commonly used flexible GMRES (FGMRES) algorithm which is also used to solve the preconditioned system in pARMS. The test problem in our experiments is an elliptical PDE problem on a regular grid. We consider two types of preconditioners: an incomplete LU factorization with dual threshold (ILUT), and the ARMS preconditioner combined with RBT randomization. We consider two soft fault error modeling approaches where we perturb the matrix-vector multiplication and the application of the preconditioner, and we compare their potential impact on the convergence of the solver.