Parallel triangular solution in the out-of-core multifrontal approach for solving large sparse linear systems

We consider the solution of very large systems of linear equations with direct multifrontal methods. In this context the size of the factors is an important limitation for the use of sparse direct solvers. We will thus assume that the factors have been written on the local disks of our target multiprocessor machine during parallel factorization. Our main focus is the study and the design of efficient approaches for the forward and backward substitution phases after a sparse multifrontal factorization. These phases involve sparse triangular solution and have often been neglected in previous works on sparse direct factorization. In many applications, however, the time for the solution can be the main bottleneck for the performance. This thesis consists of two parts. The focus of the first part is on optimizing the out-of-core performance of the solution phase. The focus of the second part is to further improve the performance by exploiting the sparsity of the right-hand side vectors. In the first part, we describe and compare two approaches to access data from the hard disk. We then show that in a parallel environment the task scheduling can strongly influence the performance. We prove that a constraint ordering of the tasks is possible; it does not introduce any deadlock and it improves the performance. Experiments on large real test problems (more than 8 million unknowns) using an out-of-core version of a sparse multifrontal code called MUMPS (MUltifrontal Massively Parallel Solver) are used to analyse the behaviour of our algorithms. In the second part, we are interested in applications with sparse multiple right-hand sides, particularly those with single nonzero entries. The motivating applications arise in electromagnetism and data assimilation. In such applications, we need either to compute the null space of a highly rank deficient matrix or to compute entries in the inverse of a matrix associated with the normal equations of linear least-squares problems. We cast both of these problems as linear systems with multiple right-hand side vectors, each containing a single nonzero entry. We describe, implement and comment on efficient algorithms to reduce the input-output cost during an outof- core execution. We show how the sparsity of the right-hand side can be exploited to limit both the number of operations and the amount of data accessed. The work presented in this thesis has been partially supported by SOLSTICE ANR project (ANR-06-CIS6-010)

Résolution triangulaire de systèmes linéaires creux de grande taille dans un contexte parallèle multifrontal et hors-mémoire

Nous nous intéressons à la résolution de systèmes linéaires creux de très grande taille par des méthodes directes de factorisation. Dans ce contexte, la taille de la matrice des facteurs constitue un des facteurs limitants principaux pour l'utilisation de méthodes directes de résolution. Nous supposons donc que la matrice des facteurs est de trop grande taille pour être rangée dans la mémoire principale du multiprocesseur et qu'elle a donc été écrite sur les disques locaux (hors-mémoire : OOC) d'une machine multiprocesseurs durant l'étape de factorisation. Nous nous intéressons à l'étude et au développement de techniques efficaces pour la phase de résolution après une factorization multifrontale creuse. La phase de résolution, souvent négligée dans les travaux sur les méthodes directes de résolution directe creuse, constitue alors un point critique de la performance de nombreuses applications scientifiques, souvent même plus critique que l'étape de factorisation. Cette thèse se compose de deux parties. Dans la première partie nous nous proposons des algorithmes pour améliorer la performance de la résolution hors-mémoire. Dans la deuxième partie nous pousuivons ce travail en montrant comment exploiter la nature creuse des seconds membres pour réduire le volume de données accédées en mémoire. Dans la première partie de cette thèse nous introduisons deux approches de lecture des données sur le disque dur. Nous montrons ensuite que dans un environnement parallèle le séquencement des tâches peut fortement influencer la performance. Nous prouvons qu'un ordonnancement contraint des tâches peut être introduit; qu'il n'introduit pas d'interblocage entre processus et qu'il permet d'améliorer les performances. Nous conduisons nos expériences sur des problèmes industriels de grande taille (plus de 8 Millions d'inconnues) et utilisons une version hors-mémoire d'un code multifrontal creux appelé MUMPS (solveur multifrontal parallèle). Dans la deuxième partie de ce travail nous nous intéressons au cas de seconds membres creux multiples. Ce problème apparaît dans des applications en electromagnétisme et en assimilation de données et résulte du besoin de calculer l'espace propre d'une matrice fortement déficiente, du calcul d'éléments de l'inverse de la matrice associée aux équations normales pour les moindres carrés linéaires ou encore du traitement de matrices fortement réductibles en programmation linéaire. Nous décrivons un algorithme efficace de réduction du volume d'Entrées/Sorties sur le disque lors d'une résolution hors-mémoire. Plus généralement nous montrons comment le caractère creux des seconds -membres peut être exploité pour réduire le nombre d'opérations et le nombre d'accès à la mémoire lors de l'étape de résolution. Le travail présenté dans cette thèse a été partiellement financé par le projet SOLSTICE de l'ANR (ANR-06-CIS6-010). ABSTRACT : We consider the solution of very large systems of linear equations with direct multifrontal methods. In this context the size of the factors is an important limitation for the use of sparse direct solvers. We will thus assume that the factors have been written on the local disks of our target multiprocessor machine during parallel factorization. Our main focus is the study and the design of efficient approaches for the forward and backward substitution phases after a sparse multifrontal factorization. These phases involve sparse triangular solution and have often been neglected in previous works on sparse direct factorization. In many applications, however, the time for the solution can be the main bottleneck for the performance. This thesis consists of two parts. The focus of the first part is on optimizing the out-of-core performance of the solution phase. The focus of the second part is to further improve the performance by exploiting the sparsity of the right-hand side vectors. In the first part, we describe and compare two approaches to access data from the hard disk. We then show that in a parallel environment the task scheduling can strongly influence the performance. We prove that a constraint ordering of the tasks is possible; it does not introduce any deadlock and it improves the performance. Experiments on large real test problems (more than 8 million unknowns) using an out-of-core version of a sparse multifrontal code called MUMPS (MUltifrontal Massively Parallel Solver) are used to analyse the behaviour of our algorithms. In the second part, we are interested in applications with sparse multiple right-hand sides, particularly those with single nonzero entries. The motivating applications arise in electromagnetism and data assimilation. In such applications, we need either to compute the null space of a highly rank deficient matrix or to compute entries in the inverse of a matrix associated with the normal equations of linear least-squares problems. We cast both of these problems as linear systems with multiple right-hand side vectors, each containing a single nonzero entry. We describe, implement and comment on efficient algorithms to reduce the input-output cost during an outof- core execution. We show how the sparsity of the right-hand side can be exploited to limit both the number of operations and the amount of data accessed. The work presented in this thesis has been partially supported by SOLSTICE ANR project (ANR-06-CIS6-010)

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

The Design of I/O-Efficient Sparse Direct Solvers

We consider two problems related to I/O: First, find the minimum primary memory size required to factor a sparse, symmetric matrix when permitted to read and write the data exactly once. Second, find the minimum data traffic between core and external memory when permitted to read and write the data many times. These problems are likely to be intractable in general, but we prove upper and lower bounds on these quantities for several model problems with useful sparsity (i.e., whose computational graphs have small separators). We provide fast algorithms for computing these quantities through simulation for irregular problems. The choice of factorization algorithms (left-looking, right-looking, multifrontal), orderings (nested dissection or minimum degree), and blocking techniques (1- or 2- dimensional blocks) can change the memory size and traffic by orders of magnitude. Explicitly moving the data (files managed by the program) improves performance significantly over implicit data movement (pages managed by the operating system). Thus this work guides us in designing a software library that implements an external memory sparse solver.