Krylov subspace methods are extensively used in scientific computing to solve large-scale linear systems. However, the performance of these iterative Krylov solvers on modern supercomputers is limited by expensive communication costs. The $s$-step strategy generates a series of $s$ Krylov vectors at a time to avoid communication. Asymptotically, the $s$-step approach can reduce communication latency by a factor of $s$. Unfortunately, due to finite-precision implementation, the step size has to be kept small for stability. In this work, we tackle the numerical instabilities encountered in the $s$-step GMRES algorithm. By choosing an appropriate polynomial basis and block orthogonalization schemes, we construct a communication avoiding $s$-step GMRES algorithm that automatically selects the optimal step size to ensure numerical stability. To further maximize communication savings, we introduce scaled Newton polynomials that can increase the step size $s$ to a few hundreds for many problems. An initial step size estimator is also developed to efficiently choose the optimal step size for stability. The guaranteed stability of the proposed algorithm is demonstrated using numerical experiments. In the process, we also evaluate how the choice of polynomial and preconditioning affects the stability limit of the algorithm. Finally, we show parallel scalability on more than 14,000 cores in a distributed-memory setting. Perfectly linear scaling has been observed in both strong and weak scaling studies with negligible communication costs.


翻译:Krylov子空间方法广泛应用于科学计算中求解大规模线性系统。然而,在现代超级计算机上,这些迭代Krylov求解器的性能受到高昂通信成本的限制。s步策略每次生成一组s个Krylov向量以避免通信,理论上可将通信延迟减少s倍。但受有限精度实现影响,步长必须保持较小以确保稳定性。本文解决了s步GMRES算法中的数值不稳定性问题。通过选择合适的多项式基和分块正交化方案,我们构建了一种通信避免的s步GMRES算法,该算法能自动选择最优步长以保证数值稳定性。为进一步最大化通信节省,我们引入缩放牛顿多项式,可将许多问题的步长s提升至数百。此外,还开发了初始步长估计器以高效选择稳定性所需的最优步长。通过数值实验验证了所提算法的稳定性保证。在此过程中,我们还评估了多项式选择和预处理对算法稳定性极限的影响。最后,我们在分布式内存环境下展示了超过14,000核的并行可扩展性。强扩展与弱扩展研究均观察到完美线性缩放,且通信成本可忽略不计。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ICDM 2022教程】图挖掘中的公平性:度量、算法和应用
专知会员服务
28+阅读 · 2022年12月26日
专知会员服务
27+阅读 · 2021年7月11日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
TensorFlow 2.0新特性之Ragged Tensor
深度学习每日摘要
18+阅读 · 2019年4月5日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月8日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月6日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月5日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月4日
VIP会员
最新内容
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
1+阅读 · 今天15:00
21世纪的无人机战争
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:05
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
2+阅读 · 今天13:51
美国从乌克兰无人机战争中学习经验
专知会员服务
7+阅读 · 6月21日
ICML 2026 | 面向视觉语言模型的语义鲁棒性认证
专知会员服务
5+阅读 · 6月21日
相关资讯
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
TensorFlow 2.0新特性之Ragged Tensor
深度学习每日摘要
18+阅读 · 2019年4月5日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
16+阅读 · 2019年1月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员