[論文レビュー] HordeSat: A Massively Parallel Portfolio SAT Solver

Tomáš Balyo, Peter Sanders+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2015

Distributed systems and fault tolerance参考文献 17被引用数 7

ひとこと要約

HordeSatは、数千プロセッサを持つクラスタ上でスケーラビリティを実現するための、大規模並列でポータフォリオベースのSATソルバである。分散型でモジュラーなアーキテクチャを採用し、複数のCDCLソルバを並列で実行しながら、効率的なクリークの交換と多様化を実現しており、2011年および2014年のSATコンペティションの難解なSATインスタンスにおいて顕著な高速化—特に超線形の高速化—を達成している。

ABSTRACT

A simple yet successful approach to parallel satisfiability (SAT) solving is to run several different (a portfolio of) SAT solvers on the input problem at the same time until one solver finds a solution. The SAT solvers in the portfolio can be instances of a single solver with different configuration settings. Additionally the solvers can exchange information usually in the form of clauses. In this paper we investigate whether this approach is applicable in the case of massively parallel SAT solving. Our solver is intended to run on clusters with thousands of processors, hence the name HordeSat. HordeSat is a fully distributed portfolio-based SAT solver with a modular design that allows it to use any SAT solver that implements a given interface. HordeSat has a decentralized design and features hierarchical parallelism with interleaved communication and search. We experimentally evaluated it using all the benchmark problems from the application tracks of the 2011 and 2014 International SAT Competitions. The experiments demonstrate that HordeSat is scalable up to hundreds or even thousands of processors achieving significant speedups especially for hard instances.

研究の動機と目的

• 分散クラスタ上で数千プロセッサにスケーリング可能なポータフォリオベースのSATソルビングの課題に取り組む。
• 通信オーバーヘッドを最小限に抑えながら、探索空間の多様性を最大化することで、実世界の難解なインスタンスに対する効率的な並列SATソルビングを実現する。
• CDCLベースのSATソルバを最小限のインターフェースを介して統合できるモジュラーなソルバを設計し、拡張性とコアソルバ実装からの独立性を確保する。
• 共有メモリおよび分散メモリシステムの両方で、最先端の並列ソルバ（例：Plingeling）と比較してスケーラビリティとパフォーマンスの優位性を示す。

提案手法

• 各プロセッサが独自の設定パラメータを持つ独立したCDCLソルバインスタンスを実行する完全に分散化された非中央集権的アーキテクチャを実装する。
• ネットワークオーバーヘッドを最小限に抑えつつ探索の多様性を維持するため、軽量で階層的な通信モデルを用いてソルバ間で学習済みクリークを交換する。
• 明示的な分割なしに探索空間の重複を低減する高度な多様化技術を適用し、並列性と負荷分散を保つ。
• Lingelingなどのソルバとのプラグアンドプレイ互換性を実現するため、標準化されたインターフェースを通じて任意のCDCL SATソルバをブラックボックスとして統合する。
• 通信と計算をインタリーブすることで、探索中のアイドルタイムを低減し、高いリソース利用率を維持する。
• 大規模な展開において性能ボトルネックを回避するため、節約的で選択的なプロパゲーションを用いてクリーク交換を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポータフォリオベースのSATソルビングは、分散クラスタ環境において数千プロセッサに効果的にスケーリング可能か？
• RQ2 ポータフォリオフレームワーク内での効率的で分散型のクリーク交換は、難解なSATインスタンスで超線形の高速化をもたらすか？
• RQ3 共有メモリシステム（最大16コア）で動作する際、HordeSatのパフォーマンスはPlingelingなどの先進的並列ソルバと比べてどの程度か？
• RQ4 HordeSatのモジュラー設計は、異なる基盤となるCDCLソルバ間で高いパフォーマンスを維持できるか、その程度はいかほどか？
• RQ5 コア数の増加に伴い、スケーリングの限界としての速度向上と実行時間短縮の限界は何か？

主な発見

• HordeSatは、2011年および2014年のSATコンペティションの難解なSATインスタンスで超線形の高速化を達成しており、特に数百～数千コアにスケーリングした場合に顕著である。
• 512コアまででほぼ線形の合計および中央値の高速化を示したが、それ以上のスケーリングでは、十分に難解なインスタンスが限界に達するため、性能の停滞が見られた。
• 8コアの単一ノード構成ではPlingelingとほぼ同等の性能を示したが、16コアではわずかにPlingelingを上回り、共有メモリ型ポータフォリオソルバの改善の余地があることを示唆している。
• コンmodityクラスタを用いて数百コアを活用することで、困難ではあるが解けるSATインスタンスの解決時間を数時間から数分にまで短縮した。
• モジュラー設計により、Lingelingのような高性能なCDCLソルバとのシームレスな統合が可能であり、HordeSatフレームワーク内での最も効果的なコアソルバであることが実証された。
• 実験により、効率的で節約的なクリーク交換と多様化されたソルバ設定が、明示的な探索空間の分割なしにスケーラビリティを維持するのに十分であることが確認された。