Scilab and MATLAB Interfaces to MUMPS (version 4.6 or greater)

This document describes the Scilab and MATLAB interfaces to MUMPS version 4.6. We describe the differences and similarities between usual Fortran/C MUMPS interfaces and its Scilab/MATLAB interfaces, the calling sequences and functionalities. Examples of use and experimental results are also provided.Nous décrivons les séquences d’appel et les fonctionnalités de nos interfaces Scilab/MATLAB et nous évoquons ses différences et similarités avec les interfaces Fortran/C habituelles de MUMPS. Nous présentons aussi des exemples d’utilisation et quelques résultats expérimentau

Méthodes directes hors-mémoire (out-of-core) pour la résolution de systèmes linéaires creux de grande taille

Factorizing a sparse matrix is a robust way to solve large sparse systems of linear equations. However such an approach is known to be costly both in terms of computation and storage. When the storage required to process a matrix is greater than the amount of memory available on the platform, so-called out-of-core approaches have to be employed: disks extend the main memory to provide enough storage capacity. In this thesis, we investigate both theoretical and practical aspects of such out-of-core factorizations. The MUMPS and SuperLU software packages are used to illustrate our discussions on real-life matrices. First, we propose and study various out-of-core models that aim at limiting the overhead due to data transfers between memory and disks on uniprocessor machines. To do so, we revisit the algorithms to schedule the operations of the factorization and propose new memory management schemes to fit out-of-core constraints. Then we focus on a particular factorization method, the multifrontal method, that we push as far as possible in a parallel out-of-core context with a pragmatic approach. We show that out-of-core techniques allow to solve large sparse linear systems efficiently. When only the factors are stored on disks, a particular attention must be paid to temporary data, which remain in core memory. To achieve a high scalability of core memory usage, we rethink the whole schedule of the out-of-core parallel factorization.La factorisation d'une matrice creuse est une approche robuste pour la résolution de systèmes linéaires creux de grande taille. Néanmoins, une telle factorisation est connue pour être coûteuse aussi bien en temps de calcul qu'en occupation mémoire. Quand l'espace mémoire nécessaire au traitement d'une matrice est plus grand que la quantité de mémoire disponible sur la plate-forme utilisée, des approches dites hors-mémoire (out-of-core) doivent être employées : les disques étendent la mémoire centrale pour fournir une capacité de stockage suffisante. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la fois aux aspects théoriques et pratiques de telles factorisations hors-mémoire. Les environnements logiciel MUMPS et SuperLU sont utilisés pour illustrer nos discussions sur des matrices issues du monde industriel et académique. Tout d'abord, nous proposons et étudions dans un cadre séquentiel différents modèles hors-mémoire qui ont pour but de limiter le surcoût dû aux transferts de données entre la mémoire et les disques. Pour ce faire, nous revisitons les algorithmes qui ordonnancent les opérations de la factorisation et proposons de nouveaux schémas de gestion mémoire s'accommodant aux contraintes hors-mémoire. Ensuite, nous nous focalisons sur une méthode de factorisation particulière, la méthode multifrontale, que nous poussons aussi loin que possible dans un contexte parallèle hors-mémoire. Suivant une démarche pragmatique, nous montrons que les techniques hors-mémoire permettent de résoudre efficacement des systèmes linéaires creux de grande taille. Quand seuls les facteurs sont stockés sur disque, une attention particulière doit être portée aux données temporaires, qui restent en mémoire centrale. Pour faire décroître efficacement l'occupation mémoire associée à ces données temporaires avec le nombre de processeurs, nous repensons l'ordonnancement de la factorisation parallèle hors-mémoire dans son ensemble

Book of Abstracts of the Sixth SIAM Workshop on Combinatorial Scientific Computing

Book of Abstracts of CSC14 edited by Bora UçarInternational audienceThe Sixth SIAM Workshop on Combinatorial Scientific Computing, CSC14, was organized at the Ecole Normale Supérieure de Lyon, France on 21st to 23rd July, 2014. This two and a half day event marked the sixth in a series that started ten years ago in San Francisco, USA. The CSC14 Workshop's focus was on combinatorial mathematics and algorithms in high performance computing, broadly interpreted. The workshop featured three invited talks, 27 contributed talks and eight poster presentations. All three invited talks were focused on two interesting fields of research specifically: randomized algorithms for numerical linear algebra and network analysis. The contributed talks and the posters targeted modeling, analysis, bisection, clustering, and partitioning of graphs, applied in the context of networks, sparse matrix factorizations, iterative solvers, fast multi-pole methods, automatic differentiation, high-performance computing, and linear programming. The workshop was held at the premises of the LIP laboratory of ENS Lyon and was generously supported by the LABEX MILYON (ANR-10-LABX-0070, Université de Lyon, within the program ''Investissements d'Avenir'' ANR-11-IDEX-0007 operated by the French National Research Agency), and by SIAM

Quasi-optimal elimination trees for 2D grids with singularities

We construct quasi-optimal elimination trees for 2D finite element meshes with singularities.These trees minimize the complexity of the solution of the discrete system. The computational cost estimates of the elimination process model the execution of the multifrontal algorithms in serial and in parallel shared-memory executions. Since the meshes considered are a subspace of all possible mesh partitions, we call these minimizers quasi-optimal.We minimize the cost functionals using dynamic programming. Finding these minimizers is more computationally expensive than solving the original algebraic system. Nevertheless, from the insights provided by the analysis of the dynamic programming minima, we propose a heuristic construction of the elimination trees that has cost O(log(Ne log(Ne)), where N e is the number of elements in the mesh.We show that this heuristic ordering has similar computational cost to the quasi-optimal elimination trees found with dynamic programming and outperforms state-of-the-art alternatives in our numerical experiments

Use of A Network Enabled Server System for a Sparse Linear Algebra Grid Application

Solving systems of linear equations is one of the key operations in linear algebra. Many different algorithms are available in that purpose. These algorithms require a very accurate tuning to minimise runtime and memory consumption. The TLSE project provides, on one hand, a scenario-driven expert site to help users choose the right algorithm according to their problem and tune accurately this algorithm, and, on the other hand, a test-bed for experts in order to compare algorithms and define scenarios for the expert site. Both features require to run the available solvers a large number of times with many different values for the control parameters (and maybe with many different architectures). Currently, only the grid can provide enough computing power for this kind of application. The DIET middleware is the GRID backbone for TLSE. It manages the solver services and their scheduling in a scalable way.La résolution de systèmes linéaires creux est une opération clé en algèbre linéaire. Beaucoup d’algorithmes sont utilisés pour cela, qui dépendent de nombreux paramètres, afin d’offrir une robustesse, une performance et une consommation mémoire optimales. Le projet GRID-TLSE fournit d’une part, un site d’expertise basé sur l’utilisation de scénarios pour aider les utilisateurs à choisir l’algorithme qui convient le mieux à leur problème ainsi que les paramètres associés; et d’autre part, un environnement pour les experts du domaine leur permettant de comparer efficacement des algorithmes et de définir dynamiquement de nouveaux scénarios d’utilisation. Ces fonctionnalités nécessitent de pouvoir exécuter les logiciels de résolution disponibles un grand nombre de fois,avec beaucoup de valeurs différentes des paramètres de contrôle (et éventuellement sur plusieurs architectures de machines). Actuellement, seule la grille peut fournir la puissance de calcul pour ce type d’applications. L’intergiciel DIETest utilisé pour gérer la grille, les différents services, et leur ordonnancement efficace

Problèmes de mémoire et de performance de la factorisation multifrontale parallèle et de la résolution triangulaire à seconds membres creux

We consider the solution of very large sparse systems of linear equations on parallel architectures. In this context, memory is often a bottleneck that prevents or limits the use of direct solvers, especially those based on the multifrontal method. This work focuses on memory and performance issues of the two memory and computationally intensive phases of direct methods, namely, the numerical factorization and the solution phase. In the first part we consider the solution phase with sparse right-hand sides, and in the second part we consider the memory scalability of the multifrontal factorization. In the first part, we focus on the triangular solution phase with multiple sparse right-hand sides, that appear in numerous applications. We especially emphasize the computation of entries of the inverse, where both the right-hand sides and the solution are sparse. We first present several storage schemes that enable a significant compression of the solution space, both in a sequential and a parallel context. We then show that the way the right-hand sides are partitioned into blocks strongly influences the performance and we consider two different settings: the out-of-core case, where the aim is to reduce the number of accesses to the factors, that are stored on disk, and the in-core case, where the aim is to reduce the computational cost. Finally, we show how to enhance the parallel efficiency. In the second part, we consider the parallel multifrontal factorization. We show that controlling the active memory specific to the multifrontal method is critical, and that commonly used mapping techniques usually fail to do so: they cannot achieve a high memory scalability, i.e., they dramatically increase the amount of memory needed by the factorization when the number of processors increases. We propose a class of "memory-aware" mapping and scheduling algorithms that aim at maximizing performance while enforcing a user-given memory constraint and provide robust memory estimates before the factorization. These techniques have raised performance issues in the parallel dense kernels used at each step of the factorization, and we have proposed some algorithmic improvements. The ideas presented throughout this study have been implemented within the MUMPS (MUltifrontal Massively Parallel Solver) solver and experimented on large matrices (up to a few tens of millions unknowns) and massively parallel architectures (up to a few thousand cores). They have demonstrated to improve the performance and the robustness of the code, and will be available in a future release. Some of the ideas presented in the first part have also been implemented within the PDSLin (Parallel Domain decomposition Schur complement based Linear solver) package.Nous nous intéressons à la résolution de systèmes linéaires creux de très grande taille sur des machines parallèles. Dans ce contexte, la mémoire est un facteur qui limite voire empêche souvent l'utilisation de solveurs directs, notamment ceux basés sur la méthode multifrontale. Cette étude se concentre sur les problèmes de mémoire et de performance des deux phases des méthodes directes les plus coûteuses en mémoire et en temps : la factorisation numérique et la résolution triangulaire. Dans une première partie nous nous intéressons à la phase de résolution à seconds membres creux, puis, dans une seconde partie, nous nous intéressons à la scalabilité mémoire de la factorisation multifrontale. La première partie de cette étude se concentre sur la résolution triangulaire à seconds membres creux, qui apparaissent dans de nombreuses applications. En particulier, nous nous intéressons au calcul d'entrées de l'inverse d'une matrice creuse, où les seconds membres et les vecteurs solutions sont tous deux creux. Nous présentons d'abord plusieurs schémas de stockage qui permettent de réduire significativement l'espace mémoire utilisé lors de la résolution, dans le cadre d'exécutions séquentielles et parallèles. Nous montrons ensuite que la façon dont les seconds membres sont regroupés peut fortement influencer la performance et nous considérons deux cadres différents : le cas "hors-mémoire" (out-of-core) où le but est de réduire le nombre d'accès aux facteurs stockés sur disque, et le cas "en mémoire" (in-core) où le but est de réduire le nombre d'opérations. Finalement, nous montrons comment améliorer le parallélisme. Dans la seconde partie, nous nous intéressons à la factorisation multifrontale parallèle. Nous montrons tout d'abord que contrôler la mémoire active spécifique à la méthode multifrontale est crucial, et que les techniques de "répartition" (mapping) classiques ne peuvent fournir une bonne scalabilité mémoire : le coût mémoire de la factorisation augmente fortement avec le nombre de processeurs. Nous proposons une classe d'algorithmes de répartition et d'ordonnancement "conscients de la mémoire" (memory-aware) qui cherchent à maximiser la performance tout en respectant une contrainte mémoire fournie par l'utilisateur. Ces techniques ont révélé des problèmes de performances dans certains des noyaux parallèles denses utilisés à chaque étape de la factorisation, et nous avons proposé plusieurs améliorations algorithmiques. Les idées présentées tout au long de cette étude ont été implantées dans le solveur MUMPS (Solveur MUltifrontal Massivement Parallèle) et expérimentées sur des matrices de grande taille (plusieurs dizaines de millions d'inconnues) et sur des machines massivement parallèles (jusqu'à quelques milliers de coeurs). Elles ont permis d'améliorer les performances et la robustesse du code et seront disponibles dans une prochaine version. Certaines des idées présentées dans la première partie ont également été implantées dans le solveur PDSLin (solveur linéaire hybride basé sur une méthode de complément de Schur)