Bridging the Gap Between H-Matrices and Sparse Direct Methods for the Solution of Large Linear Systems

Many physical phenomena may be studied through modeling and numerical simulations, commonplace in scientific applications. To be tractable on a computer, appropriated discretization techniques must be considered, which often lead to a set of linear equations whose features depend on the discretization techniques. Among them, the Finite Element Method usually leads to sparse linear systems whereas the Boundary Element Method leads to dense linear systems. The size of the resulting linear systems depends on the domain where the studied physical phenomenon develops and tends to become larger and larger as the performance of the computer facilities increases. For the sake of numerical robustness, the solution techniques based on the factorization of the matrix associated with the linear system are the methods of choice when affordable. In that respect, hierarchical methods based on low-rank compression have allowed a drastic reduction of the computational requirements for the solution of dense linear systems over the last two decades. For sparse linear systems, their application remains a challenge which has been studied by both the community of hierarchical matrices and the community of sparse matrices. On the one hand, the first step taken by the community of hierarchical matrices most often takes advantage of the sparsity of the problem through the use of nested dissection. While this approach benefits from the hierarchical structure, it is not, however, as efficient as sparse solvers regarding the exploitation of zeros and the structural separation of zeros from non-zeros. On the other hand, sparse factorization is organized so as to lead to a sequence of smaller dense operations, enticing sparse solvers to use this property and exploit compression techniques from hierarchical methods in order to reduce the computational cost of these elementary operations. Nonetheless, the globally hierarchical structure may be lost if the compression of hierarchical methods is used only locally on dense submatrices. We here review the main techniques that have been employed by both those communities, trying to highlight their common properties and their respective limits with a special emphasis on studies that have aimed to bridge the gap between them. With these observations in mind, we propose a class of hierarchical algorithms based on the symbolic analysis of the structure of the factors of a sparse matrix. These algorithms rely on a symbolic information to cluster and construct a hierarchical structure coherent with the non-zero pattern of the matrix. Moreover, the resulting hierarchical matrix relies on low-rank compression for the reduction of the memory consumption of large submatrices as well as the time to solution of the solver. We also compare multiple ordering techniques based on geometrical or topological properties. Finally, we open the discussion to a coupling between the Finite Element Method and the Boundary Element Method in a unified computational framework.De nombreux phénomènes physiques peuvent être étudiés au moyen de modélisations et de simulations numériques, courantes dans les applications scientifiques. Pour être calculable sur un ordinateur, des techniques de discrétisation appropriées doivent être considérées, conduisant souvent à un ensemble d’équations linéaires dont les caractéristiques dépendent des techniques de discrétisation. D’un côté, la méthode des éléments finis conduit généralement à des systèmes linéaires creux, tandis que les méthodes des éléments finis de frontière conduisent à des systèmes linéaires denses. La taille des systèmes linéaires en découlant dépend du domaine où le phénomène physique étudié se produit et tend à devenir de plus en plus grand à mesure que les performances des infrastructures informatiques augmentent. Pour des raisons de robustesse numérique, les techniques de solution basées sur la factorisation de la matrice associée au système linéaire sont la méthode de choix utilisée lorsqu’elle est abordable. A cet égard, les méthodes hiérarchiques basées sur de la compression de rang faible ont permis une importante réduction des ressources de calcul nécessaires pour la résolution de systèmes linéaires denses au cours des deux dernières décennies. Pour les systèmes linéaires creux, leur utilisation reste un défi qui a été étudié à la fois par la communauté des matrices hiérarchiques et la communauté des matrices creuses. D’une part, la communauté des matrices hiérarchiques a d’abord exploité la structure creuse du problème via l’utilisation de la dissection emboitée. Bien que cette approche bénéficie de la structure hiérarchique qui en résulte, elle n’est pas aussi efficace que les solveurs creux en ce qui concerne l’exploitation des zéros et la séparation structurelle des zéros et des non-zéros. D’autre part, la factorisation creuse est accomplie de telle sorte qu’elle aboutit à une séquence d’opérations plus petites et denses, ce qui incite les solveurs à utiliser cette propriété et à exploiter les techniques de compression des méthodes hiérarchiques afin de réduire le coût de calcul de ces opérations élémentaires. Néanmoins, la structure hiérarchique globale peut être perdue si la compression des méthodes hiérarchiques n’est utilisée que localement sur des sous-matrices denses. Nous passons en revue ici les principales techniques employées par ces deux communautés, en essayant de mettre en évidence leurs propriétés communes et leurs limites respectives, en mettant l’accent sur les études qui visent à combler l’écart qui les séparent. Partant de ces observations, nous proposons une classe d’algorithmes hiérarchiques basés sur l’analyse symbolique de la structure des facteurs d’une matrice creuse. Ces algorithmes s’appuient sur une information symbolique pour grouper les inconnues entre elles et construire une structure hiérarchique cohérente avec la disposition des non-zéros de la matrice. Nos méthodes s’appuient également sur la compression de rang faible pour réduire la consommation mémoire des sous-matrices les plus grandes ainsi que le temps que met le solveur à trouver une solution. Nous comparons également des techniques de renumérotation se fondant sur des propriétés géométriques ou topologiques. Enfin, nous ouvrons la discussion à un couplage entre la méthode des éléments finis et la méthode des éléments finis de frontière dans un cadre logiciel unique