Programming matrix algorithms-by-blocks for thread-level parallelism

With the emergence of thread-level parallelism as the primary means for continued improvement of performance, the programmability issue has reemerged as an obstacle to the use of architectural advances. We argue that evolving legacy libraries for dense and banded linear algebra is not a viable solution due to constraints imposed by early design decisions. We propose a philosophy of abstraction and separation of concerns that provides a promising solution in this problem domain. The first abstraction, FLASH, allows algorithms to express computation with matrices consisting of blocks, facilitating algorithms-by-blocks. Transparent to the library implementor, operand descriptions are registered for a particular operation a priori. A runtime system, SuperMatrix, uses this information to identify data dependencies between suboperations, allowing them to be scheduled to threads out-of-order and executed in parallel. But not all classical algorithms in linear algebra lend themselves to conversion to algorithms-by-blocks. We show how our recently proposed LU factorization with incremental pivoting and closely related algorithm-by-blocks for the QR factorization, both originally designed for out-of-core computation, overcome this difficulty. Anecdotal evidence regarding the development of routines with a core functionality demonstrates how the methodology supports high productivity while experimental results suggest that high performance is abundantly achievabl

Maintaining High Performance Across All Problem Sizes and Parallel Scales Using Microkernel-based Linear Algebra

Linear algebra underlies a large proportion of computational problems. With the continuous increase of scale on modern hardware, performance of small sized linear algebra has become increasingly important. To overcome the shortcomings of conventional approaches, we employ a new approach using a microkernel framework provided by ATLAS to improve the performance of a few linear algebra routines for all problem sizes. Our initial research consists of improving the performance of parallel LU factorization in ATLAS for which we were able to achieve up to 2.07x and 2.66x speedup for small problems, up to 91% and 87% of theoretical peak performance for asymptotic problems on a 12-core Intel Xeon and a 32-core AMD Opteron machine, respectively, outperforming all the state-of-the-art libraries at the time. Such performance was achieved via an exhaustive search of all the tuning parameters, which could take days. This motivated us to try to develop a computational model for our LU factorization that could predict those parameters by combining some basic empirical timings and a theoretical model based on the amount of required computations. While our model provided good prediction for mid-to-asymptotic sized problems, there were some unknown factors for small problems that could possibly be answered by extending the ATLAS tuning framework. While this extension is underway, we decided to pursue the model research using simpler serial BLAS-based approach. We investigated and implemented two Level-3 BLAS routines: TRSM and TRMM that are widely used primarily by LAPACK operations like the aforementioned LU factorization. With the microkernel-based approach, we were able to improve the performance of both routines by up to 15% and 73% for square and fat problems, respectively, over prior ATLAS implementations on modern hardware. Finally, with a collaborative research with ARM Inc., we improved the performance of the most important Level-3 BLAS operation GEMM in ATLAS by up to 53% via implementing microkernels for two 64-bit ARM architectures. This automatically improves other BLAS and LAPACK routines that rely on GEMM for high performance

Context adaptivity for selected computational kernels with applications in optoelectronics and in phylogenetics

Computational Kernels sind der kritische Teil rechenintensiver Software, wofür der größte Rechenaufwand anfällt; daher müssen deren Design und Implementierung sorgfältig vorgenommen werden. Zwei wissenschaftliche Anwendungsprobleme aus der Optoelektronik und aus der Phylogenetik, sowie dazugehörige Computational Kernels motivieren diese Arbeit. Im ersten Anwendungsproblem werden Komponenten zur Berechnung komplex-symmetrischer Eigenwertprobleme diskutiert, welche in der Simulation von Wellenleitern in der Optoelektronik auftreten. LAPACK und ScaLAPACK beinhalten sehr leistungsfähige Referenzimplementierungen für bestimmte Problemstellungen der linearen Algebra. In Bezug auf Eigenwertprobleme werden ausschließlich reell-symmetrische und komplex-hermitesche Varianten angeboten, daher sind effiziente Codes für komplex-symmetrische (nicht-hermitesche) Eigenwertprobleme sehr wünschenswert. Das zweite Anwendungsproblem behandelt einen parallelen, wissenschaftlichen Workflow zur Rekonstruktion von Phylogenien, welcher entworfen, umgesetzt und evaluiert wird. Die Rekonstruktion von phylogenetischen Bäumen ist ein NP-hartes Problem, welches äußerst viel Rechenkapazität benötigt, wodurch ein paralleler Ansatz erforderlich ist. Die grundlegende Idee dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wechselbeziehung zwischen dem Kontext der behandelten Kernels und deren Effizienz. Ein Kontext eines Computational Kernels beinhaltet Modellaspekte (z.B. Struktur der Eingabedaten), Softwareaspekte (z.B. rechenintensive Bibliotheken), Hardwareaspekte (z.B. verfügbarer Hauptspeicher und unterstützte darstellbare Genauigkeit), sowie weitere Anforderungen bzw. Einschränkungen. Einschränkungen sind hinsichtlich Laufzeit, Speicherverbrauch, gelieferte Genauigkeit usw., möglich. Das Konzept der Kontextadaptivität wird für ausgewählte Anwendungsprobleme in Computational Science gezeigt. Die vorgestellte Methode ist ein Meta-Algorithmus, der Aspekte des Kontexts verwendet, um optimale Leistung hinsichtlich der angewandten Metrik zu erzielen. Es ist wichtig, den Kontext einzubeziehen, weil Anforderungen gegeneinander ausgetauscht werden könnten, resultierend in einer höheren Leistung. Zum Beispiel kann im Falle einer niedrigen benötigten Genauigkeit ein schnellerer Algorithmus einer bewährten, aber langsameren, Methode vorgezogen werden. Speziell für komplex-symmetrische Eigenwertprobleme zugeschnittene Codes zielen darauf ab, Genauigkeit gegen Geschwindigkeit einzutauschen. Die Innovation wird durch neue algorithmische Ansätze belegt, welche die algebraische Struktur ausnutzen. Bezüglich der Berechnung von phylogenetischen Bäumen wird die Abbildung eines Workflows auf ein Campusgrid-System gezeigt. Die Innovation besteht in der anpassungsfähigen Implementierung des Workflows, der nebenläufige Instanzen von Computational Kernels in einem verteilten System darstellt. Die Adaptivität bezeichnet hier die Fähigkeit des Workflows, die Rechenlast hinsichtlich verfügbarer Rechner, Zeit und Qualität der phylogenetischen Bäume anzupassen. Kontextadaptivität wird durch die Implementierung und Evaluierung von wissenschaftlichen Problemstellungen aus der Optoelektronik und aus der Phylogenetik gezeigt. Für das Fachgebiet der Optoelektronik zielt eine Familie von Algorithmen auf die Lösung von verallgemeinerten komplex-symmetrischen Eigenwertproblemen ab. Unser alternativer Ansatz nutzt die symmetrische Struktur aus und spielt günstigere Laufzeit gegen eine geringere Genauigkeit aus. Dieser Ansatz ist somit schneller, jedoch (meist) ungenauer als der konventionelle Lösungsweg. Zusätzlich zum sequentiellen Löser wird eine parallele Variante diskutiert und teilweise auf einem Cluster mit bis zu 1024 CPU-Cores evaluiert. Die erzielten Laufzeiten beweisen die Überlegenheit unseres Ansatzes -- allerdings sind weitere Untersuchungen zur Erhöhung der Genauigkeit notwendig. Für das Fachgebiet der Phylogenetik zeigen wir, dass die phylogenetische Baum-Rekonstruktion mittels eines Condor-basierten Campusgrids effizient parallelisiert werden kann. Dieser parallele wissenschaftliche Workflow weist einen geringen parallelen Overhead auf, resultierend in exzellenter Effizienz.Computational kernels are the crucial part of computationally intensive software, where most of the computing time is spent; hence, their design and implementation have to be accomplished carefully. Two scientific application problems from optoelectronics and from phylogenetics and corresponding computational kernels are motivating this thesis. In the first application problem, components for the computational solution of complex symmetric EVPs are discussed, arising in the simulation of waveguides in optoelectronics. LAPACK and ScaLAPACK contain highly effective reference implementations for certain numerical problems in linear algebra. With respect to EVPs, only real symmetric and complex Hermitian codes are available, therefore efficient codes for complex symmetric (non-Hermitian) EVPs are highly desirable. In the second application problem, a parallel scientific workflow for computing phylogenies is designed, implemented, and evaluated. The reconstruction of phylogenetic trees is an NP-hard problem that demands huge scale computing capabilities, and therefore a parallel approach is necessary. One idea underlying this thesis is to investigate the interaction between the context of the kernels considered and their efficiency. The context of a computational kernel comprises model aspects (for instance, structure of input data), software aspects (for instance, computational libraries), hardware aspects (for instance, available RAM and supported precision), and certain requirements or constraints. Constraints may exist with respect to runtime, memory usage, accuracy required, etc.. The concept of context adaptivity is demonstrated to selected computational problems in computational science. The method proposed here is a meta-algorithm that utilizes aspects of the context to result in an optimal performance concerning the applied metric. It is important to consider the context, because requirements may be traded for each other, resulting in a higher performance. For instance, in case of a low required accuracy, a faster algorithmic approach may be favored over an established but slower method. With respect to EVPs, prototypical codes that are especially targeted at complex symmetric EVPs aim at trading accuracy for speed. The innovation is evidenced by the implementation of new algorithmic approaches exploiting structure. Concerning the computation of phylogenetic trees, the mapping of a scientific workflow onto a campus grid system is demonstrated. The adaptive implementation of the workflow features concurrent instances of a computational kernel on a distributed system. Here, adaptivity refers to the ability of the workflow to vary computational load in terms of available computing resources, available time, and quality of reconstructed phylogenetic trees. Context adaptivity is discussed by means of computational problems from optoelectronics and from phylogenetics. For the field of optoelectronics, a family of implemented algorithms aim at solving generalized complex symmetric EVPs. Our alternative approach exploiting structural symmetry trades runtime for accuracy, hence, it is faster but (usually) features a lower accuracy than the conventional approach. In addition to a complete sequential solver, a parallel variant is discussed and partly evaluated on a cluster utilizing up to 1024 CPU cores. Achieved runtimes evidence the superiority of our approach, however, further investigations on improving accuracy are suggested. For the field of phylogenetics, we show that phylogenetic tree reconstruction can efficiently be parallelized on a campus grid infrastructure. The parallel scientific workflow features a moderate parallel overhead, resulting in an excellent efficiency

Inside Oqla and Qpalm

This report describes the technical details of the implementation of the augmented Lagrangian algorithm used in Oqla and Qpalm, which are pieces of software designed to solve a convex quadratic optimization problem. The goal of the report is to make easier the reading and the understanding of the C++/Matlab functions defining the solvers. The Oqla and Qpalm user's guides can be found elsewhere

Paralelni algoritmi Jacobijeva tipa za singularnu i generaliziranu singularnu dekompoziciju

In this thesis, a hierarchically blocked one-sided Jacobi algorithm for the singular value decomposition (SVD) is presented. The algorithm targets both single and multiple graphics processing units (GPUs). The blocking structure reflects the levels of the GPU’s memory hierarchy. To this end, a family of parallel pivot strategies on the GPU’s shared address space has been developed, but the strategies are applicable to inter-node communication as well, with GPU nodes, CPU nodes, or, in general, any NUMA nodes. Unlike common hybrid approaches, the presented algorithm in a single-GPU setting needs a CPU for the controlling purposes only, while utilizing the GPU’s resources to the fullest extent permitted by the hardware. When required by the problem size, the algorithm, in principle, scales to an arbitrary number of GPU nodes. The scalability is demonstrated by more than twofold speedup for sufficiently large matrices on a four-GPU system vs. a single GPU. The subsequent part of the thesis describes how to modify the two-sided Hari–Zimmermann algorithm for computation of the generalized eigendecomposition of a symmetric matrix pair (A; B), where B is positive definite, to an implicit algorithm that computes the generalized singular value decomposition (GSVD) of a pair (F; G). In addition, blocking and parallelization techniques for accelerating both the CPU and the GPU computation are presented, with the GPU approach following the Jacobi SVD algorithm from the first part of the thesis. For triangular matrix pairs of a moderate size, numerical tests show that the double precision sequential pointwise algorithm is several times faster than the established DTGSJA algorithm in LAPACK, while the accuracy is slightly better, especially for the small generalized singular values. Cache-aware blocking increases the performance even further. As with the one-sided Jacobi-type (G)SVD algorithms in general, the presented algorithm is almost perfectly parallelizable and scalable on the shared memory machines, where the speedup almost solely depends on the number of cores used. A distributed memory variant, intended for huge matrices that do not fit into a single NUMA node, as well as a GPU variant, are also sketched. The thesis concludes with the affirmative answer to a question whether the onesided Jacobi-type algorithms can be an efficient and scalable choice for computing the (G)SVD of dense matrices on the massively parallel CPU and GPU architectures. Unless otherwise noted by the inline citations or implied by the context, this thesis is an overview of the original research results, most of which has already been published in [55, 58]. The author’s contributions are the one-sided Jacobi-type GPU algorithms for the ordinary and the generalized SVD, of which the latter has not yet been published, as well as the parallelization technique and some implementation details of the one-sided Hari–Zimmermann CPU algorithm for the GSVD. The rest is joint work with Sanja and Saša Singer.Singularna dekompozicija, katkad zvana prema engleskom originalu i dekompozicija singularnih vrijednosti, ili kraće SVD, jedna je od najkorisnijih matričnih dekompozicija, kako za teorijske, tako i za praktične svrhe. Svaka matrica $G \in \mathbb{C}^{m \times n}$ (zbog jednostavnijeg zapisa, uobičajeno se smatra da je $m \geq n$; u protivnom, traži se SVD matrice $G^\ast$) može se rastaviti u produkt tri matrice $$G = U \Sigma V^\ast,$$ gdje su $U \in \mathbb{C}^{m \times m}$ i $V \in \mathbb{C}^{n \times n}$ unitarne, a $\Sigma \in \mathbb{R}^{m \times n}$ je 'dijagonalna' s nenegativnim dijagonalnim elementima. Osim ovog oblika dekompozicije, koristi se i skraćeni oblik $$G = U'\Sigma'V^\ast,$$ pri čemu je $U' \in \mathbb{C}^{m \times n}$ matrica s ortonormiranim stupcima, a $\Sigma' = diag(\sigma_1, \dots, \sigma_n), \sigma_i \geq 0$ za $i = 0, \dots, n$, je sada stvarno dijagonalna. Izvan matematike, u 'stvarnom' životu, SVD se koristi u procesiranju slika (rekonstrukciji, sažimanju, izoštravanju) i signala, s primjenama u medicini (CT, tj. kompjuterizirana tomografija; MR, tj. magnetna rezonancija), geoznanostima, znanosti o materijalima, kristalografiji, sigurnosti (prepoznavanje lica), izvlačenja informacija iz velike količine podataka (na primjer, LSI, tj. latent semantic indexing), ali i drugdje. Većina primjena koristi svojstvo da se iz SVD-a lako čita najbolja aproksimacija dane matrice matricom fiksnog (niskog) ranga. Čini se da je lakše reći gdje se SVD ne koristi, nego gdje se koristi, stoga se SVD često naziva i "švicarskim nožićem matričnih dekompozicija"$^1$. Prvi počeci razvoja SVD-a sežu u 19. stoljeće, kad su poznati matematičari Eugenio Beltrami, Camille Jordan, James Joseph Sylvester, Erhard Schmidt i Herman Weyl pokazali njezinu egzistenciju i osnovna svojstva (za detalje pogledati [74]). Pioniri u numeričkom računanju SVD-a su Ervand George Kogbetliantz, te Gene Golub i William Kahan, koji su razvili algoritam za računanje (bidijagonalni QR), koji je dvadeset i pet godina vladao scenom numeričkog računanja SVD-a. U to vrijeme, sveučilište Stanford (gdje je Gene Golub radio) bilo je 'glavno sjedište' za razvoj primjena SVD-a. Početkom devedesetih godina, 'sjedište SVD-a' preseljeno je u Europu, nakon objave članka [21] o relativnoj točnosti računanja svojstvenih vrijednosti simetričnih pozitivno definitnih matrica korištenjem Jacobijeve metode. Naime, problem računanja svojstvene dekompozicije pozitivno definitne matrice i problem računanja SVD-a usko su vezani. Ako je poznata dekompozicija singularnih vrijednosti matrice $G$ punog stupčanog ranga, $G \in \mathbb{C}^{m \times n} = U \Sigma V^\ast$, pri čemu je $G$ faktor matrice $A$, $A = G \ast G$, onda je $A$ simetrična i pozitivno definitna i vrijedi $$A = G \ast G = V \Sigma^T U^\ast U \Sigma V^\ast = V diag(\sigma_1^2, \dots, \sigma_m^2)V^\ast .$$ Matrica $V$ je matrica svojstvenih vektora, a svojstvene vrijednosti su kvadrati singularnih vrijednosti. Stoga se algoritmi za računanje svojstvenih vrijednosti, kod kojih se transformacija vrši dvostranim (i slijeva i zdesna) djelovanjem na matricu $A$, mogu napisati implicitno, tako da se transformacija vrši ili zdesna na faktor $G$ ili slijeva na faktor $G^\ast$. U svojoj doktorskoj disertaciji Drmač [24] je napravio daljnju analizu, ne samo singularne dekompozicije računate Jacobijevim algoritmom, nego i generalizirane singularne dekompozicije (GSVD). Temeljem tih istraživanja, SVD baziran na Jacobijevim rotacijama ušao je i u numeričku biblioteku LAPACK. U međuvremenu, gotovo sva računala postala su višejezgrena, a moderni klasteri računala za znanstveno računanje sastoje se od nekoliko tisuća do nekoliko stotina tisuća višejezgrenih procesora$^2$, pa standardni sekvencijalni algoritmi nipošto više nisu primjereni za numeričko računanje. Stoga se ubrzano razvijaju paralelni algoritmi koji poštuju i hijerarhijsku memorijsku strukturu odgovarajućih računala, težeći iskoristiti brzu cache memoriju za procesiranje potproblema u blokovima, na koje je moguće primijeniti BLAS-3 operacije. Ideja blokiranja je u primjeni što više (tipično, kubično u dimenziji matrice) numeričkih operacija nad podacima u brzoj memoriji. Nadalje, pojavom grafičkih procesnih jedinica namijenjenih znanstvenom računanju, kao i drugih visokoparalelnih numeričkih akceleratora (npr. Intel Xeon Phi), otvorio se novi segment istraživanja, koji poštuje njihov masivni paralelizam, s pojedinačno slabašnom snagom svake dretve u odnosu na središnji procesor. Generaliziranu singularnu dekompoziciju (GSVD) uveli su Van Loan [77], te Paige i Saunders [62]. Definicija GSVD-a nešto je manje poznata. Ako su zadane matrice $F \in \mathbb{C}^{m \times n}$ i $G \in \mathbb{C}^{p \times n}$, za koje vrijedi $$K = {F \brack G} , k = rank(K),$$ tad postoje unitarne matrice $U \in \mathbb{C}^{m \times m}, V \in \mathbb{C}^{p \times p}$, i matrica $X \in \mathbb{C}^{k \times n}$, takve da je $$F = U \Sigma_F X, \qquad G = V \Sigma_G X, \qquad \Sigma_F \in \mathbb{R}^{m \times k}, \qquad \Sigma_G \in \mathbb{R}^{p \times k}.$$ Elementi matrica $\Sigma_F$ i $\Sigma_G$ su nula, osim dijagonalnih elemenata, koji su realni i nenegativni. Nadalje, $\Sigma_F$ i $\Sigma_G$ zadovoljavaju $$\Sigma_F^T\Sigma_F + \Sigma_G^T\Sigma_G = I.$$ Omjeri $(\Sigma_F)_{ii} / (\Sigma_G)_{ii}$ su generalizirane singularne vrijednosti para $(F, G)$. Ako je $G$ punog stupčanog ranga, tada je $rank(K) = n$ i generalizirane singularne vrijednosti su konačni brojevi. Ako je par $(F, G)$ realan, onda su realne sve matrice u dekompoziciji. Odavde nadalje, zbog jednostavnoti pretpostavlja se da je par realan. Može se pokazati da, ako je $k = n$, tada se relacija između GSVD-a i reducirane forme CS (kosinus-sinus) dekompozicije (vidjeti, na primjer, [26]) može iskoristiti za njezino računanje (pogledati, na primjer članke Stewarta [72, 73] i Suttona [75]). Slično kao i SVD, generalizirana singularna dekompozicija ima primjene u mnogim područjima, kao što je usporedna analiza podataka vezanih uz genome [1], nepotpuna singularna metoda rubnih elemeneata [47], ionosferna tomografija [9], ali i mnogo drugih. GSVD para matrica $(F, G)$ blisko je vezana s hermitskim generaliziranim svojstvenim problemom za par $(A, B) := (F^\ast F, G^\ast G)$, tako da se metode za istovremenu dijagonalizaciju para $(A, B)$ mogu modificirati za računanje GSVD-a para $(F, G)$. U ovoj radnji razvijen je brzi i efikasan algoritam za računanje generalizirane singularne dekompozicije realnog para $(F, G)$. Metoda razvijena u radnji bazirana je na algoritmu za računanje generalizirane svojstvene dekompozicije, $$Ax = \lambda Bx; \quad x \neq 0; \qquad (1)$$ gdje su $A$ i $B$ simetrične matrice, a par je definitan, tj. postoji realna konstanta $\mu$ takva da je matrica $A-\mu B$ pozitivno definitna. Članke s metodom objavili su 1960. Falk i Langemeyer [31, 32] u slabo poznatom priručniku. Kad je paralelna verzija metode testirana, pokazalo se da pati zbog problema rastuće skale stupaca matrice tijekom procesa ortogonalizacije. Treba još primijetiti da pozitivna definitnost matrice $B$ odmah znači da je definitan i par $(A, B)$. Gotovo desetljeće nakon Falka i Langemeyera, Katharina Zimmermann je u svojoj doktorskoj disertaciji [81] grubo skicirala metodu za rješavanje generaliziranog svojstvenog problema (1) ako je B pozitivno definitna. Gose [34] je predložio optimalnu ne-cikličku pivotnu strategiju i dokazao globalnu konvergenciju originalne metode. Hari je u svojoj disertaciji [37], potaknut Zimmermanninom skicom metode, izveo algoritam i pokazao njegovu globalnu i kvadratičnu konvergenciju uz cikličke pivotne strategije. Kvadratičnu konvergenciju originalne Falk–Langemeyerove metode dokazao je 1988. Slapničar u svojem magisteriju, četiri godine nakon dokaza konvergencije Hari–Zimmermann metode. Hari je u [37] pokazao ključnu vezu između Hari–Zimmermannine i Falk–Langemeyerove varijante algoritma. Ako je matrica $B$ obostrano skalirana dijagonalnom matricom $D$, tako da su joj dijagonalni elementi jednaki 1 prije svakog koraka poništavanja u Falk–Langemeyerovoj metodi, dobiva se Hari–Zimmermannina metoda. Dakle, nova metoda imala je ključno svojstvo normiranosti stupaca barem jedne matrice, što se pokazalo iznimno bitnim za uspjeh algoritma (izbjegavanje skaliranja matrica tijekom procesa ortogonalizacije). Treba reći da se GSVD može računati i na druge načine. Drmač je u [26] izveo algoritam za računanje GSVD-a para $(F, G)$, kad je $G$ punog stupčanog ranga. Algoritam transformira problem na samo jednu matricu, a nakon toga primjenjuje jednostrani Jacobijev SVD algoritam. Taj algoritam računa generalizirane singularne vrijednosti s malom relativnom greškom. Algoritam svođenja na jednu matricu sastoji se od tri koraka: skaliranje stupaca matrica $F$ i $G$, QR faktorizacije sa stupčanim pivotiranjem već skalirane matrice $G$, i konačno, rješavanjem trokutastog linearnog sustava s $k$ desnih strana. Posljednja dva koraka su sekvencijalna i vrlo ih je teško paralelizirati. Sama ideja korištenja implicitne (tj. jednostrane) Falk–Langemeyerove metode za GSVD para $(F, G)$, s $G$ punog stupčanog ranga, sreće se u disertaciji Annette Deichmöller [17], međutim, tamo se ne spominju usporedbe te metode s drugim metodama. S druge strane, algoritam za računanje GSVD-a u biblioteci LAPACK (potprogram xGGSVD), je modificirani Kogbetliantzov algoritam (vidjeti Paige [61]) s obveznim pretprocesiranjem (vidjeti Bai i Demmel [5]). Algoritam pretprocesiranja [6] transformira zadani matrični par $(F_0, G_0)$ u par $(F, G)$, takav da su $F$ i $G$ gornjetrokutaste, a $G$ je i nesingularna. Ako se unaprijed zna da je $G$ punog stupčanog ranga, i implicitna Falk–Langemeyerova i implicitna Hari–Zimmermannina metoda će raditi i bez pretprocesiranja. Ako su $F$ i $G$ vitke (engl. "tall and skinny"), QR factorizacija obje matrice će ubrzati ortogonalizaciju. Ako $G$ nije punog ranga, onda treba koristiti isto pretprocesiranje kao u LAPACK-u, budući da puni stupčani rang matrice $G$ garantira pozitivnu definitnost matrice $B := G^T G$. U ovoj radnji razvijen je i hijerarhijski, blokirani jednostrani algoritam za računanje SVD-a. Opisani algoritam može raditi na višeprocesorskom računalu, računalnim klasterima, jednoj ili više grafičkih procesnih jedinica. Princip rada algoritma na svim arhitekturama je sličan. Posebno je opisan algoritam koji radi na grafičkim procesnim jedinicama. Struktura blokiranja reflektira razine memorijske strukture grafičke procesne jedninice. Da bi se to postiglo, razvijene su familije paralelnih pivotnih strategija za dijeljenu (engl. shared) memoriju grafičkih procesnih jedinica. Uz dodatak rasporeda po procesima, strategije se mogu koristiti i kao strategije za komuniciranje među računalnim čvorovima (bili oni grafičke procesne jedinice, jezgre procesora ili tzv. NUMA čvorovi). Razvijeni algoritam nije hibridni, tj. centralnu procesnu jedinicu koristi samo za kontrolne svrhe, a cjelokupno računanje odvija se na grafičkoj procesnoj jedinici. Kad je zbog veličine problema potrebno, algoritam se može rasprostrijeti (skalirati) na proizvoljan broj grafičkih procesnih jedinica. Na dovoljno velikim matricama, skalabilnost je pokazana ubrzanjem od preko dva puta na četiri grafičke procesne jedinice, obzirom na jednu. U drugom dijelu radnje opisuje se jedan način modifikacije dvostranog Hari–Zimmermanninog algoritma za računanje generalizirane svojstvene dekompozicije matričnog para $(A, B)$, gdje su obje matrice simetrične, a $B$ je pozitivno definitna. Implicitni algoritam računa GSVD para $(F, G)$, pri čemu je $(A, B) := (F^T F, G^T G)$. Nadalje, pokazuje se kako treba blokirati algoritam, te kako ga paralelizirati, i u slučaju standardnih, i u slučaju grafičkih procesora. Za trokutaste matrične parove srednje velikih dimenzija (približno 5 000), pokazano je da je već sekvencijalni, neblokirani algoritam u dvostrukoj točnosti, predložen u radnji, nekoliko desetaka puta brži no što je to LAPACK potprogram DTGSJA i pritom ima nešto bolju točnost, posebno za male generalizirane singularne vrijednosti. Blokiranje algoritma koje odgovara cacheima znatno ubrzava algoritam. Pokazuje se da je i ovaj algoritam, slično kao jednostrani Jacobijev algoritam za SVD, gotovo idealno paralelizabilan i skalabilan na računalima s dijeljenom memorijom, te da njegovo ubrzanje gotovo isključivo ovisi o broju korištenih jezgara. U vrijeme testiranja, pokazalo se da je paralelizirani i blokirani Hari–Zimmermannin algoritam preko sto puta brži od LAPACK potprograma DTGESJA s višedretvenim BLAS potprogramima. Varijanta algoritma za razdijeljenu (engl. distributed) memoriju namijenjena je ogromnim matricama koje ne stanu u jedan NUMA čvor. Također, skicirana je i GPU varijanta algoritma, koja je vrlo slična jednostranom Jacobijevom algoritmu za SVD. Disertacija završava zaključkom da su ovi algoritmi Jacobijevog tipa efikasni i skalabilni i izvrstan su izbor za računanje (G)SVD-a punih matrica na masivno paralelnim standardnim arhitekturama i na grafičkim procesnim jedinicama. Ova doktorska disertacija bazirana je na originalnim znanstvenim radovima [55, 58], te proširena nekim novim rezultatima. Autorov doprinos u ovoj disertaciji su novi paralelni algoritmi za (G)SVD za grafičke procesne jedinice, tehnike paralelizacije, te detalji implementacije jednostranog Hari–Zimmermannina algoritma. Ostatak je zajednički rad sa Sanjom Singer i Sašom Singerom. $^1$ Diane O’Leary, 2006. $^2$ https://www.top500.or

Paralelni algoritmi Jacobijeva tipa za singularnu i generaliziranu singularnu dekompoziciju

In this thesis, a hierarchically blocked one-sided Jacobi algorithm for the singular value decomposition (SVD) is presented. The algorithm targets both single and multiple graphics processing units (GPUs). The blocking structure reflects the levels of the GPU’s memory hierarchy. To this end, a family of parallel pivot strategies on the GPU’s shared address space has been developed, but the strategies are applicable to inter-node communication as well, with GPU nodes, CPU nodes, or, in general, any NUMA nodes. Unlike common hybrid approaches, the presented algorithm in a single-GPU setting needs a CPU for the controlling purposes only, while utilizing the GPU’s resources to the fullest extent permitted by the hardware. When required by the problem size, the algorithm, in principle, scales to an arbitrary number of GPU nodes. The scalability is demonstrated by more than twofold speedup for sufficiently large matrices on a four-GPU system vs. a single GPU. The subsequent part of the thesis describes how to modify the two-sided Hari–Zimmermann algorithm for computation of the generalized eigendecomposition of a symmetric matrix pair (A; B), where B is positive definite, to an implicit algorithm that computes the generalized singular value decomposition (GSVD) of a pair (F; G). In addition, blocking and parallelization techniques for accelerating both the CPU and the GPU computation are presented, with the GPU approach following the Jacobi SVD algorithm from the first part of the thesis. For triangular matrix pairs of a moderate size, numerical tests show that the double precision sequential pointwise algorithm is several times faster than the established DTGSJA algorithm in LAPACK, while the accuracy is slightly better, especially for the small generalized singular values. Cache-aware blocking increases the performance even further. As with the one-sided Jacobi-type (G)SVD algorithms in general, the presented algorithm is almost perfectly parallelizable and scalable on the shared memory machines, where the speedup almost solely depends on the number of cores used. A distributed memory variant, intended for huge matrices that do not fit into a single NUMA node, as well as a GPU variant, are also sketched. The thesis concludes with the affirmative answer to a question whether the onesided Jacobi-type algorithms can be an efficient and scalable choice for computing the (G)SVD of dense matrices on the massively parallel CPU and GPU architectures. Unless otherwise noted by the inline citations or implied by the context, this thesis is an overview of the original research results, most of which has already been published in [55, 58]. The author’s contributions are the one-sided Jacobi-type GPU algorithms for the ordinary and the generalized SVD, of which the latter has not yet been published, as well as the parallelization technique and some implementation details of the one-sided Hari–Zimmermann CPU algorithm for the GSVD. The rest is joint work with Sanja and Saša Singer.Singularna dekompozicija, katkad zvana prema engleskom originalu i dekompozicija singularnih vrijednosti, ili kraće SVD, jedna je od najkorisnijih matričnih dekompozicija, kako za teorijske, tako i za praktične svrhe. Svaka matrica $G \in \mathbb{C}^{m \times n}$ (zbog jednostavnijeg zapisa, uobičajeno se smatra da je $m \geq n$; u protivnom, traži se SVD matrice $G^\ast$) može se rastaviti u produkt tri matrice $$G = U \Sigma V^\ast,$$ gdje su $U \in \mathbb{C}^{m \times m}$ i $V \in \mathbb{C}^{n \times n}$ unitarne, a $\Sigma \in \mathbb{R}^{m \times n}$ je 'dijagonalna' s nenegativnim dijagonalnim elementima. Osim ovog oblika dekompozicije, koristi se i skraćeni oblik $$G = U'\Sigma'V^\ast,$$ pri čemu je $U' \in \mathbb{C}^{m \times n}$ matrica s ortonormiranim stupcima, a $\Sigma' = diag(\sigma_1, \dots, \sigma_n), \sigma_i \geq 0$ za $i = 0, \dots, n$, je sada stvarno dijagonalna. Izvan matematike, u 'stvarnom' životu, SVD se koristi u procesiranju slika (rekonstrukciji, sažimanju, izoštravanju) i signala, s primjenama u medicini (CT, tj. kompjuterizirana tomografija; MR, tj. magnetna rezonancija), geoznanostima, znanosti o materijalima, kristalografiji, sigurnosti (prepoznavanje lica), izvlačenja informacija iz velike količine podataka (na primjer, LSI, tj. latent semantic indexing), ali i drugdje. Većina primjena koristi svojstvo da se iz SVD-a lako čita najbolja aproksimacija dane matrice matricom fiksnog (niskog) ranga. Čini se da je lakše reći gdje se SVD ne koristi, nego gdje se koristi, stoga se SVD često naziva i "švicarskim nožićem matričnih dekompozicija"$^1$. Prvi počeci razvoja SVD-a sežu u 19. stoljeće, kad su poznati matematičari Eugenio Beltrami, Camille Jordan, James Joseph Sylvester, Erhard Schmidt i Herman Weyl pokazali njezinu egzistenciju i osnovna svojstva (za detalje pogledati [74]). Pioniri u numeričkom računanju SVD-a su Ervand George Kogbetliantz, te Gene Golub i William Kahan, koji su razvili algoritam za računanje (bidijagonalni QR), koji je dvadeset i pet godina vladao scenom numeričkog računanja SVD-a. U to vrijeme, sveučilište Stanford (gdje je Gene Golub radio) bilo je 'glavno sjedište' za razvoj primjena SVD-a. Početkom devedesetih godina, 'sjedište SVD-a' preseljeno je u Europu, nakon objave članka [21] o relativnoj točnosti računanja svojstvenih vrijednosti simetričnih pozitivno definitnih matrica korištenjem Jacobijeve metode. Naime, problem računanja svojstvene dekompozicije pozitivno definitne matrice i problem računanja SVD-a usko su vezani. Ako je poznata dekompozicija singularnih vrijednosti matrice $G$ punog stupčanog ranga, $G \in \mathbb{C}^{m \times n} = U \Sigma V^\ast$, pri čemu je $G$ faktor matrice $A$, $A = G \ast G$, onda je $A$ simetrična i pozitivno definitna i vrijedi $$A = G \ast G = V \Sigma^T U^\ast U \Sigma V^\ast = V diag(\sigma_1^2, \dots, \sigma_m^2)V^\ast .$$ Matrica $V$ je matrica svojstvenih vektora, a svojstvene vrijednosti su kvadrati singularnih vrijednosti. Stoga se algoritmi za računanje svojstvenih vrijednosti, kod kojih se transformacija vrši dvostranim (i slijeva i zdesna) djelovanjem na matricu $A$, mogu napisati implicitno, tako da se transformacija vrši ili zdesna na faktor $G$ ili slijeva na faktor $G^\ast$. U svojoj doktorskoj disertaciji Drmač [24] je napravio daljnju analizu, ne samo singularne dekompozicije računate Jacobijevim algoritmom, nego i generalizirane singularne dekompozicije (GSVD). Temeljem tih istraživanja, SVD baziran na Jacobijevim rotacijama ušao je i u numeričku biblioteku LAPACK. U međuvremenu, gotovo sva računala postala su višejezgrena, a moderni klasteri računala za znanstveno računanje sastoje se od nekoliko tisuća do nekoliko stotina tisuća višejezgrenih procesora$^2$, pa standardni sekvencijalni algoritmi nipošto više nisu primjereni za numeričko računanje. Stoga se ubrzano razvijaju paralelni algoritmi koji poštuju i hijerarhijsku memorijsku strukturu odgovarajućih računala, težeći iskoristiti brzu cache memoriju za procesiranje potproblema u blokovima, na koje je moguće primijeniti BLAS-3 operacije. Ideja blokiranja je u primjeni što više (tipično, kubično u dimenziji matrice) numeričkih operacija nad podacima u brzoj memoriji. Nadalje, pojavom grafičkih procesnih jedinica namijenjenih znanstvenom računanju, kao i drugih visokoparalelnih numeričkih akceleratora (npr. Intel Xeon Phi), otvorio se novi segment istraživanja, koji poštuje njihov masivni paralelizam, s pojedinačno slabašnom snagom svake dretve u odnosu na središnji procesor. Generaliziranu singularnu dekompoziciju (GSVD) uveli su Van Loan [77], te Paige i Saunders [62]. Definicija GSVD-a nešto je manje poznata. Ako su zadane matrice $F \in \mathbb{C}^{m \times n}$ i $G \in \mathbb{C}^{p \times n}$, za koje vrijedi $$K = {F \brack G} , k = rank(K),$$ tad postoje unitarne matrice $U \in \mathbb{C}^{m \times m}, V \in \mathbb{C}^{p \times p}$, i matrica $X \in \mathbb{C}^{k \times n}$, takve da je $$F = U \Sigma_F X, \qquad G = V \Sigma_G X, \qquad \Sigma_F \in \mathbb{R}^{m \times k}, \qquad \Sigma_G \in \mathbb{R}^{p \times k}.$$ Elementi matrica $\Sigma_F$ i $\Sigma_G$ su nula, osim dijagonalnih elemenata, koji su realni i nenegativni. Nadalje, $\Sigma_F$ i $\Sigma_G$ zadovoljavaju $$\Sigma_F^T\Sigma_F + \Sigma_G^T\Sigma_G = I.$$ Omjeri $(\Sigma_F)_{ii} / (\Sigma_G)_{ii}$ su generalizirane singularne vrijednosti para $(F, G)$. Ako je $G$ punog stupčanog ranga, tada je $rank(K) = n$ i generalizirane singularne vrijednosti su konačni brojevi. Ako je par $(F, G)$ realan, onda su realne sve matrice u dekompoziciji. Odavde nadalje, zbog jednostavnoti pretpostavlja se da je par realan. Može se pokazati da, ako je $k = n$, tada se relacija između GSVD-a i reducirane forme CS (kosinus-sinus) dekompozicije (vidjeti, na primjer, [26]) može iskoristiti za njezino računanje (pogledati, na primjer članke Stewarta [72, 73] i Suttona [75]). Slično kao i SVD, generalizirana singularna dekompozicija ima primjene u mnogim područjima, kao što je usporedna analiza podataka vezanih uz genome [1], nepotpuna singularna metoda rubnih elemeneata [47], ionosferna tomografija [9], ali i mnogo drugih. GSVD para matrica $(F, G)$ blisko je vezana s hermitskim generaliziranim svojstvenim problemom za par $(A, B) := (F^\ast F, G^\ast G)$, tako da se metode za istovremenu dijagonalizaciju para $(A, B)$ mogu modificirati za računanje GSVD-a para $(F, G)$. U ovoj radnji razvijen je brzi i efikasan algoritam za računanje generalizirane singularne dekompozicije realnog para $(F, G)$. Metoda razvijena u radnji bazirana je na algoritmu za računanje generalizirane svojstvene dekompozicije, $$Ax = \lambda Bx; \quad x \neq 0; \qquad (1)$$ gdje su $A$ i $B$ simetrične matrice, a par je definitan, tj. postoji realna konstanta $\mu$ takva da je matrica $A-\mu B$ pozitivno definitna. Članke s metodom objavili su 1960. Falk i Langemeyer [31, 32] u slabo poznatom priručniku. Kad je paralelna verzija metode testirana, pokazalo se da pati zbog problema rastuće skale stupaca matrice tijekom procesa ortogonalizacije. Treba još primijetiti da pozitivna definitnost matrice $B$ odmah znači da je definitan i par $(A, B)$. Gotovo desetljeće nakon Falka i Langemeyera, Katharina Zimmermann je u svojoj doktorskoj disertaciji [81] grubo skicirala metodu za rješavanje generaliziranog svojstvenog problema (1) ako je B pozitivno definitna. Gose [34] je predložio optimalnu ne-cikličku pivotnu strategiju i dokazao globalnu konvergenciju originalne metode. Hari je u svojoj disertaciji [37], potaknut Zimmermanninom skicom metode, izveo algoritam i pokazao njegovu globalnu i kvadratičnu konvergenciju uz cikličke pivotne strategije. Kvadratičnu konvergenciju originalne Falk–Langemeyerove metode dokazao je 1988. Slapničar u svojem magisteriju, četiri godine nakon dokaza konvergencije Hari–Zimmermann metode. Hari je u [37] pokazao ključnu vezu između Hari–Zimmermannine i Falk–Langemeyerove varijante algoritma. Ako je matrica $B$ obostrano skalirana dijagonalnom matricom $D$, tako da su joj dijagonalni elementi jednaki 1 prije svakog koraka poništavanja u Falk–Langemeyerovoj metodi, dobiva se Hari–Zimmermannina metoda. Dakle, nova metoda imala je ključno svojstvo normiranosti stupaca barem jedne matrice, što se pokazalo iznimno bitnim za uspjeh algoritma (izbjegavanje skaliranja matrica tijekom procesa ortogonalizacije). Treba reći da se GSVD može računati i na druge načine. Drmač je u [26] izveo algoritam za računanje GSVD-a para $(F, G)$, kad je $G$ punog stupčanog ranga. Algoritam transformira problem na samo jednu matricu, a nakon toga primjenjuje jednostrani Jacobijev SVD algoritam. Taj algoritam računa generalizirane singularne vrijednosti s malom relativnom greškom. Algoritam svođenja na jednu matricu sastoji se od tri koraka: skaliranje stupaca matrica $F$ i $G$, QR faktorizacije sa stupčanim pivotiranjem već skalirane matrice $G$, i konačno, rješavanjem trokutastog linearnog sustava s $k$ desnih strana. Posljednja dva koraka su sekvencijalna i vrlo ih je teško paralelizirati. Sama ideja korištenja implicitne (tj. jednostrane) Falk–Langemeyerove metode za GSVD para $(F, G)$, s $G$ punog stupčanog ranga, sreće se u disertaciji Annette Deichmöller [17], međutim, tamo se ne spominju usporedbe te metode s drugim metodama. S druge strane, algoritam za računanje GSVD-a u biblioteci LAPACK (potprogram xGGSVD), je modificirani Kogbetliantzov algoritam (vidjeti Paige [61]) s obveznim pretprocesiranjem (vidjeti Bai i Demmel [5]). Algoritam pretprocesiranja [6] transformira zadani matrični par $(F_0, G_0)$ u par $(F, G)$, takav da su $F$ i $G$ gornjetrokutaste, a $G$ je i nesingularna. Ako se unaprijed zna da je $G$ punog stupčanog ranga, i implicitna Falk–Langemeyerova i implicitna Hari–Zimmermannina metoda će raditi i bez pretprocesiranja. Ako su $F$ i $G$ vitke (engl. "tall and skinny"), QR factorizacija obje matrice će ubrzati ortogonalizaciju. Ako $G$ nije punog ranga, onda treba koristiti isto pretprocesiranje kao u LAPACK-u, budući da puni stupčani rang matrice $G$ garantira pozitivnu definitnost matrice $B := G^T G$. U ovoj radnji razvijen je i hijerarhijski, blokirani jednostrani algoritam za računanje SVD-a. Opisani algoritam može raditi na višeprocesorskom računalu, računalnim klasterima, jednoj ili više grafičkih procesnih jedinica. Princip rada algoritma na svim arhitekturama je sličan. Posebno je opisan algoritam koji radi na grafičkim procesnim jedinicama. Struktura blokiranja reflektira razine memorijske strukture grafičke procesne jedninice. Da bi se to postiglo, razvijene su familije paralelnih pivotnih strategija za dijeljenu (engl. shared) memoriju grafičkih procesnih jedinica. Uz dodatak rasporeda po procesima, strategije se mogu koristiti i kao strategije za komuniciranje među računalnim čvorovima (bili oni grafičke procesne jedinice, jezgre procesora ili tzv. NUMA čvorovi). Razvijeni algoritam nije hibridni, tj. centralnu procesnu jedinicu koristi samo za kontrolne svrhe, a cjelokupno računanje odvija se na grafičkoj procesnoj jedinici. Kad je zbog veličine problema potrebno, algoritam se može rasprostrijeti (skalirati) na proizvoljan broj grafičkih procesnih jedinica. Na dovoljno velikim matricama, skalabilnost je pokazana ubrzanjem od preko dva puta na četiri grafičke procesne jedinice, obzirom na jednu. U drugom dijelu radnje opisuje se jedan način modifikacije dvostranog Hari–Zimmermanninog algoritma za računanje generalizirane svojstvene dekompozicije matričnog para $(A, B)$, gdje su obje matrice simetrične, a $B$ je pozitivno definitna. Implicitni algoritam računa GSVD para $(F, G)$, pri čemu je $(A, B) := (F^T F, G^T G)$. Nadalje, pokazuje se kako treba blokirati algoritam, te kako ga paralelizirati, i u slučaju standardnih, i u slučaju grafičkih procesora. Za trokutaste matrične parove srednje velikih dimenzija (približno 5 000), pokazano je da je već sekvencijalni, neblokirani algoritam u dvostrukoj točnosti, predložen u radnji, nekoliko desetaka puta brži no što je to LAPACK potprogram DTGSJA i pritom ima nešto bolju točnost, posebno za male generalizirane singularne vrijednosti. Blokiranje algoritma koje odgovara cacheima znatno ubrzava algoritam. Pokazuje se da je i ovaj algoritam, slično kao jednostrani Jacobijev algoritam za SVD, gotovo idealno paralelizabilan i skalabilan na računalima s dijeljenom memorijom, te da njegovo ubrzanje gotovo isključivo ovisi o broju korištenih jezgara. U vrijeme testiranja, pokazalo se da je paralelizirani i blokirani Hari–Zimmermannin algoritam preko sto puta brži od LAPACK potprograma DTGESJA s višedretvenim BLAS potprogramima. Varijanta algoritma za razdijeljenu (engl. distributed) memoriju namijenjena je ogromnim matricama koje ne stanu u jedan NUMA čvor. Također, skicirana je i GPU varijanta algoritma, koja je vrlo slična jednostranom Jacobijevom algoritmu za SVD. Disertacija završava zaključkom da su ovi algoritmi Jacobijevog tipa efikasni i skalabilni i izvrstan su izbor za računanje (G)SVD-a punih matrica na masivno paralelnim standardnim arhitekturama i na grafičkim procesnim jedinicama. Ova doktorska disertacija bazirana je na originalnim znanstvenim radovima [55, 58], te proširena nekim novim rezultatima. Autorov doprinos u ovoj disertaciji su novi paralelni algoritmi za (G)SVD za grafičke procesne jedinice, tehnike paralelizacije, te detalji implementacije jednostranog Hari–Zimmermannina algoritma. Ostatak je zajednički rad sa Sanjom Singer i Sašom Singerom. $^1$ Diane O’Leary, 2006. $^2$ https://www.top500.or