= Solving large dense linear least squares problems on parallel distributed computers : application to the Earth's gravity field computation

• Auteur / Autrice : Marc Baboulin
• Direction : Luc Giraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et télécommunications
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul intensif (informatique)

Moindres carrés

Estimation de paramètres

Algorithmes parallèles

Mots clés libres

Factorisation de Cholesky

Factorisation QR

Conditionnement "Normwise"

Estimateur statistique de conditionnement

Résumé

Dans cette thèse, nous présentons le résultat de nos recherches dans le domaine du calcul scientifique haute performance pour les moindres carrés linéaires. En particulier, nous nous intéressons au développement de logiciels parallèles efficaces permettant de traiter des problèmes de moindres carrés denses de très grande taille. Nous fournissons également des outils numériques permettant d'étudier la qualité de la solution. Cette thèse est aussi une contribution au projet GOCE1 dont l'objectif est de fournir un modèle très précis du champ de gravité terrestre. Le lancement de ce satellite est prévu pour 2007 et à cet égard, notre travail constitue une étape dans la définition d'algorithmes pour ce projet. Nous présentons d'abord les stratégies numériques susceptibles d'être utilisées pour mettre à jour la solution en prenant en compte des nouvelles observations fournies par GOCE. Puis nous décrivons un solveur parallèle distribué que nous avons développé afin d'être intégré dans le logiciel du CNES2 chargé de la détermination d'orbite et du calcul de champ de gravité. Les performances de notre solveur sont compétitives par rapport à celles des librairies parallèles standards ScaLAPACK et PLAPACK sur les machines opérationnelles utilisées dans l'industrie spatiale, tout en nécessitant un stockage mémoire deux fois moindre grâce à la prise en compte des symétries du problème. Afin d'améliorer le passage à l'échelle et la portabilité de notre solveur, nous définissons un format " packed " distribué qui repose sur des noyaux ScaLAPACK. Cette approche constitue une amélioration significative car il n'existe pas à ce jour de format " packed " distribué pour les matrices symétriques et triangulaires denses. Nous présentons les exemples pour la factorisation de Cholesky et la mise à jour d'une factorisation QR. Ce format peut être aisément étendu à d'autres opérations d'algèbre linéaire. Cette thèse propose enfin des résultats nouveaux dans le domaine de l'analyse de sensibilité des moindres carrés linéaires résultant de problèmes d'estimation de paramètres. Nous proposons notamment une formule exacte, des bornes précises et des estimateurs statistiques pour évaluer le conditionnement d'une fonction linéaire de la solution d'un problème de moindres carrés. Le choix entre ces différentes formules dépendra de la taille du problème et du niveau de précision souhaité.

In this thesis, we present our research in high performance scientific computing for linear least squares. More precisely we are concerned with developing efficient parallel software that can solve very large dense linear least squares problems and with providing numerical tools that can assess the quality of the solution. This thesis is also a contribution to the GOCE3 mission that strives for a very accurate model of the Earth's gravity field. This satellite is scheduled for launch in 2007 and in this respect, our work represents a step in the definition of algorithms for the project. We present an overview of the numerical strategies that can be used for updating the solution with new observations coming from GOCE mesurements. Then we describe a parallel distributed solver that we implemented in order to be used in the CNES4 software package for orbit determination and gravity field computation. This solver compares well in terms of performance with the standard parallel libraries ScaLAPACK and PLAPACK on the operational platforms used in the space industry while saving about half the memory, thanks to taking into account the symmetry of the problem. In order to improve the scalability and the portability of our solver, we define a packed distributed format that is based on ScaLAPACK kernel routines. This approach is a significant improvement since there is no packed distributed format available for symmetric or triangular matrices in the existing dense parallel libraries. Examples are given for the Cholesky factorization and for the updating of a QR factorization. This format can easily be extended to other linear algebra calculations. This thesis also contains new results in the area of sensitivity analysis for linear least squares resulting from parameter estimation problems. Specifically we provide a closed formula, bounds of correct order of magnitude and also statistical estimates that enable us to evaluate the condition number of linear functionals of least squares solution. The choice between the different expressions will depend on the problem size and on the desired level of accuracy.