[논문 리뷰] HordeSat: A Massively Parallel Portfolio SAT Solver

Tomáš Balyo, Peter Sanders외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 13.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 17인용 수 7

한 줄 요약

HordeSat는 수천 개의 프로세서를 가진 클러스터에서의 확장성을 고려해 설계된 대규모 병렬 포트폴리오 기반 SAT 솔버이다. 분산형 모듈식 아키텍처를 사용하여 효율적인 절단자 문장 교환과 다양화를 통해 다수의 CDCL 솔버를 병렬로 실행하며, 2011년과 2014년 SAT 경쟁에서 어려운 SAT 인스턴스에서 상당한 속도 향상을, 특히 초선형 속도 향상까지 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 분산 클러스터에서 수천 개의 프로세서로 포트폴리오 기반 SAT 해결을 효과적으로 확장하는 데 도전한다.
• 통신 오버헤드를 최소화하면서도 검색 공간의 다양성을 극대화하여 어려운 실세계 인스턴스에 대한 효율적인 병렬 SAT 해결을 가능하게 한다.
• 최소한의 인터페이스를 통해 어떤 CDCL 기반 SAT 솔버라도 모듈식으로 통합할 수 있도록 설계하여 확장성과 핵심 솔버 구현과의 독립성을 확보한다.
• 공유 메모리 및 분산 메모리 시스템 모두에서 최신 기술의 병렬 솔버인 Plingeling과 비교해도 확장성과 성능에서 뛰어난 성능을 입증한다.

제안 방법

• 각 프로세서가 고유한 설정 파rameter를 가진 독립적인 CDCL 솔버 인스턴스를 실행하는 완전히 분산된 분산 아키텍처를 구현한다.
• 네트워크 오버헤드를 최소화하면서도 검색 다양성을 유지하기 위해 경량의 계층적 통신 모델을 사용해 솔버 간에 학습된 절단자 문장을 교환한다.
• 명시적인 분할 없이도 검색 공간의 겹침을 줄이기 위해 고급 다양화 기법을 적용하여 병렬성과 로드 밸런스를 유지한다.
• Lingeling과 같은 솔버와의 플러그-인 호환성을 보장하기 위해 표준화된 인터페이스를 통해 어떤 CDCL SAT 솔버라도 블랙박스로 통합한다.
• 검색 중에 통신과 계산을 교차 실행하여 고도로 활용도를 유지하고 대기 시간을 줄인다.
• 대규모 배포 환경에서 성능 저하 요인을 방지하기 위해 절약형 선택적 전파를 사용해 절단자 문장 교환을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포트폴리오 기반 SAT 해결이 분산 클러스터 환경에서 수천 개의 프로세서로 효과적으로 확장될 수 있는가?
• RQ2 포트폴리오 프레임워크 내에서 효율적이고 분산된 절단자 문장 교환은 어려운 SAT 인스턴스에서 초선형 속도 향상을 이끌 수 있는가?
• RQ3 16개 코어 이하의 공유 메모리 시스템에서 HordeSat의 성능은 Plingeling과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 HordeSat의 모듈식 설계가 다양한 기반 CDCL 솔버에서 높은 성능을 유지하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 코어 수가 증가함에 따라 속도 향상과 실행 시간 단축 측면에서 포트폴리오 기반 SAT 해결의 확장성 한계는 어디까지인가?

주요 결과

• HordeSat는 2011년과 2014년 SAT 경쟁에서 어려운 SAT 인스턴스에서 초선형 속도 향상을 달성한다. 특히 수백 또는 수천 개의 코어로 확장할 경우 두드러진다.
• 512개 코어까지는 총 속도 향상과 중앙값 속도 향상이 거의 선형을 유지하지만, 더 이상의 확장에서는 충분히 딱딱한 인스턴스가 부족해 성능 향상이 정체된다.
• 8코어 단일 노드 구성에서는 Plingeling과 거의 동일한 성능을 보이며, 16코어에서는 약간 더 뛰어난 성능을 보여 공유 메모리 포트폴리오 솔버의 잠재적 향상 가능성을 시사한다.
• 일반 클러스터에서 수백 개의 코어를 사용할 경우, 어려운 해법이 가능한 SAT 인스턴스의 해결 시간을 수시간에서 수분으로 크게 단축시킨다.
• 모듈식 설계 덕분에 Lingeling과 같은 고성능 CDCL 솔버를 원활하게 통합할 수 있었으며, 이는 HordeSat 프레임워크 내에서 가장 효과적인 핵심 솔버로 입증되었다.
• 실험 결과에 따르면 효율적이고 절약형 절단자 문장 교환과 다양화된 솔버 설정이 명시적 검색 공간 분할 없이도 확장성을 유지하는 데 충분함을 확인했다.