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[ThesisAhmed.git] / CHAPITRE_01.tex
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2 %%                          %%
3 %%       CHAPITRE 01        %%
4 %%                          %%
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6
7 \chapter{Parallel Architectures and  Iterative Applications}
8 \label{ch1}
9 %% Introduction
10 %\lettrine[lines=2]{A}{u} 
11
12 \section{Introduction}
13 \label{ch1:1}
14
15 Most of the software applications are structured as sequential programs.
16 The structure of the program code is  a series of instructions that
17 are executed successively one after the other. For many years until a short time,
18 with each new generation of microprocessors,  users of  sequential applications expected that these applications should run faster over them than over the previous ones.
19 Nowadays, this idea is no longer valid  since  recent releases of  microprocessors have many computing units that are embedded in one chip and  programs are  running  only over one computing unit sequentially.
20 Indeed, new applications have significantly improved  their performance over  new architectures in parallel compared to traditional applications.
21 To improve the performance  of  applications, they should parallelized  and executed simultaneously over all available  computing units. 
22 Furthermore, the concurrency revolution has been referred  primarily to software revolution, that all applications are amenable to parallelization over the  new parallel architectures \cite{ref51}. 
23 Moreover,  parallel applications should be optimized to the  parallel  hardware that  must execute them. 
24 Therefore, parallel applications and parallel architectures are closely tied together. 
25 For example, the energy consumption of one parallel system mainly depends on both: (1) parallel applications and (2) parallel architectures. Indeed, an energy consumption model or any measurement system depends on many specifications, some of them are related to the  parallel hardware features such as: (1) the frequency of  processor, (2) the  power consumption of processor and (3) the communication model.  Others are relied to  the parallel application such as: (1) the computation time and (2) the communication time of the application. 
26
27
28 This work is focused on studying the iterative parallel  applications, where different parallel architectures
29 are used to execute them in parallel, while optimizing their energy consumptions.   
30 In this context, this chapter gives a brief overview about parallel hardware architectures and  parallel iterative applications. Also, it discusses an energy model proposed by other authors used to measure the energy consumption of these applications. 
31 The reminder of this chapter is organized as follows: section \ref{ch1:2} describes different types of  parallelism and different types of  parallel platforms. It also explains some models of parallel programming.  Section \ref{ch1:3} discusses both types of parallel iterative methods, synchronous and asynchronous one and comparing them. Section \ref{ch1:4}, presents a well accepted energy model from the state of the art that can be used to measure the energy consumption of parallel iterative applications when  the frequency of  processor is changed. Finally, section \ref{ch1:5} summarizes this chapter.
32
33
34 \section{Parallel Computing  Architectures} 
35 \label{ch1:2}
36 The process of executing the calculations simultaneously over many computing units is called  parallel computing.
37 Its main principle refers to the ability of dividing a large problem into  smaller sub-problems that can be solved at the same time \cite{ref2}. 
38 Solving the sub-problems of one main problem in  parallel computing is carried out in parallel  on multiple  processors.
39 Indeed, a parallel  architecture can be defined as a computing system that is composed of many processing elements, which are connected via a network model and some tools that are used to make the processing units work together  \cite{ref1}.
40 In other words, the parallel computing architecture consists of  software and hardware resources. 
41 Hardware resources are: (1) the processing units, (2) the memory model and (3) the network system that connects them. Software resources include (1) the specific operating system, (2) the programming language and (3) the compile or the runtime libraries. Besides,  parallel computing may have different levels of parallelism that can be performed in a software or a hardware level. Five types of parallelism levels have been defined as follows:
42 \begin{itemize}
43
44 \item \textbf{Bit-level parallelism (BLP)}: The appearance of  very-large-scale integration (VLSI) in 1970s has been viewed as the first step towards  parallel computing. It is used to increase the number of bits  in the word size which is processed by a processor as illustrated in the figure~\ref{fig:ch1:1}. For many successive years, the number of bits have been increased starting from 4 bit to 64 bit microprocessors. For example nowadays, the recent x86-64 architecture is the most common architecture. For a given application, the biggest the word size is the lesser in instructions to be executed by the processor.
45  
46 \begin{figure}[h!]
47 \centering
48 \includegraphics[scale=1]{fig/ch1/bits-para.pdf}
49 \caption{Bit-level parallelism }
50 \label{fig:ch1:1}
51 \end{figure}
52
53 \item \textbf{Data-level parallelism (DLP)}: Data parallelism is the process of distributing  data vector between   parallel processors, where each one performs the same operations on its data sub-vector. Therefore, many arithmetic operations can be performed on the same data vector in a simultaneous manner. This type of parallelism can be used in many programs, especially in the area of scientific computing. Usually, data-parallel operations are only provided to arrays operations, for example, as shown in figure \ref{fig:ch1:2}.  Vector multiplication, image and signal processing can be considered as an example of applications that use this type of parallelism. 
54
55 \begin{figure}[h!]
56 \centering
57 \includegraphics[scale=1]{fig/ch1/data-para.pdf}
58 \caption{Data-level parallelism }
59 \label{fig:ch1:2}
60 \end{figure}
61
62
63 \item \textbf{Instruction-level parallelism (ILP)}: Generally, a sequential program is composed of many instructions. These instructions can be executed in  parallel at the same time, if each one of them is independent from the others. In particular, the parallelism can be achieved in  instruction level by using a pipeline. It means the input and output times of each instruction is overlapped by computations from other instructions. For example, if we have two instructions: $I_1$ and $I_2$, they are independent if there is no control and no data dependency between them.
64 In pipeline stages, the execution of each instruction is divided into multiple steps. Then, they can be overlapped with the steps of other instructions by a pipeline hardware unit.
65 Figure~\ref{fig:ch1:3} demonstrates four instructions, where each one has four steps denoted as: (1) fetch, (2) decode, (3) execute and  (4) write. Thus, they are implemented in hardware units by pipeline. 
66
67 \begin{figure}[h!]
68 \centering
69 \includegraphics[scale=1]{fig/ch1/pipelines.pdf}
70 \caption{Instruction-level parallelism by pipelines}
71 \label{fig:ch1:3}
72 \end{figure}
73
74
75
76 \item \textbf{Thread-level parallelism (TLP)}: It is also known as  task-level parallelism.
77 According to  Moore’s law \cite{ref9}, the number of transistors in a processor doubles each two years to increase its performance. Cache and main memory sizes  must also be increased in order to avoid data bottlenecks.
78 However,  increasing the number of transistors may generate some issues: (1) the first issue is related to drastically  increase in  cache size, which leads to a large access time. (2) the second issue is related to the huge increase in the number of the transistors per CPU, which  can increase significantly the heat dissipation.
79 Thus, CPUs constructors couldn't increase the frequency of the processor any more due to these reasons. Therefore, they created multi-core processor that  programmers subdivided their programs into multiple tasks which can be then executed in parallel over them to improve the performance, see figure~\ref{fig:ch1:4}. Each processor can have individual threads or multiple threads dedicated to each task. A thread can be defined as a part of the parallel program that shares processor resources with other threads. 
80
81 \begin{figure}[h!]
82 \centering
83 \includegraphics[scale=1]{fig/ch1/thread-para.pdf}
84 \caption{Thread-level parallelism}
85 \label{fig:ch1:4}
86 \end{figure}
87
88 Therefore, the execution time of a sequential program that is composed of $N$ tasks, is the sum of the execution times of all tasks. Thus, it is expressed as  follows:
89
90 \begin{equation}
91 \label{ch1:eq1}
92     Sequential~execution~time = \sum_{i=1}^{N} T_i
93 \end{equation}
94
95 Whereas, if tasks are executed synchronously over multiple processing units in parallel, the execution time of the program is defined as the execution time of the task that has maximum execution time (the slowest task) as follows:
96
97 \begin{equation}
98 \label{ch1:eq2}
99     Parallel~execution~time = \max_{i=1,\dots,N} T_i
100 \end{equation}
101
102 \item \textbf{Loop-level parallelism (LLP)}:
103 Many  algorithms  execute iteratively the same program portion,  computations, many times using different forms of loop statements. At each iteration, the program needs to scan a large data structure such as  an array structure to perform the arithmetic calculations. Inside the loop structure, there are many instructions that are  dependent or independent. In a sequential loop execution,  the $i$ iteration must be executed after the completion of the $(i-1)$ iteration. 
104 If each iteration is independent from the others, then  all  iterations' instructions can be distributed over many  processors to be executed in  parallel,  
105 for example, see figure\ref{fig:ch1:5}. In the parallel programming languages, this type of loop is  called the  $parallel~loop$.
106
107 \begin{figure}[h!]
108 \centering
109 \includegraphics[scale=0.85]{fig/ch1/loop-para.pdf}
110 \caption{Loop-level parallelism}
111 \label{fig:ch1:5}
112 \end{figure}
113
114 The execution time of the parallel loop portion can be computed as 
115 the execution time of a sequential loop portion has $N_{iter}$ iterations divided by the number of the processing units $N_{processors}$ as follows:
116
117 \begin{equation}
118 \label{ch1:eq3}
119  Parallel~loop~time = \frac{Sequential~loop~time}{N_{processors}}
120                   =\frac{\sum_{i=1}^{N_{iter}} Time~of~iter_i}               
121                    {N_{processors}}
122 \end{equation}
123
124 For more details about the levels of parallelism see \cite{ref3,ref4,ref6,ref7}.
125 \end{itemize}
126
127 \subsection{Types of Parallel platforms} 
128 \label{ch1:2:1}
129 The main goal behind using a parallel architecture is to solve a big problem faster.
130 A collection of processing elements must  work together to compute the final solution of the main problem. Many different architectures have been proposed  
131 and classified according to  parallelism in  instruction and data
132 streams. In 1966, Michel Flynn has proposed a simple model to categorize all computers  models that still useful until now \cite{ref10}. His taxonomy is based on considering the data and the operations performed on this data to classify the computing system into four types as follows:
133
134 \begin{itemize}
135  
136 \item \textbf{Single instruction, single data (SISD) stream}: A single processor that executes a single instruction stream (i.e executing one data stream stored in an individual memory model, see figure \ref{fig:ch1:6}). 
137 The conventional sequential computer, according to Von Neumann model \cite{ref50}, also called the Uniprocessors can be viewed as an example of this type of architecture.
138 \begin{figure}[h!]
139 \centering
140 \includegraphics[scale=1]{fig/ch1/sisd.pdf}
141 \caption{SISD machine architecture}
142 \label{fig:ch1:6}
143 \end{figure}
144  
145 \item \textbf{Single instruction, multiple data (SIMD) stream}: All  processors execute the same instructions on different data. 
146 Each processor stores the data in its local memory. Then, they communicate with each others typically via a simple communication model, see figure \ref{fig:ch1:7}. Many scientific and engineering
147 applications are referred to this type of parallel scheme.
148 Vector and array processors are well known  examples of this type. 
149 Examples about the applications executed over this architecture: (1) graphics processing, (2) video compression and (3) medical image analysis applications.
150
151 \begin{figure}[h!]
152 \centering
153 \includegraphics[scale=1]{fig/ch1/simd.pdf}
154 \caption{SIMD machine architecture}
155 \label{fig:ch1:7}
156 \end{figure}
157
158 \item \textbf{Multiple instruction, single data (MISD) stream}: Many operations from multiple processing elements are executed over the same data stream. Each processing element has its local memory to store the private program instructions. Then, these instructions are applied to unique global memory data stream as in figure \ref{fig:ch1:8}. While the MISD machine is not commonly used,  there are some interesting uses such as the systolic arrays and dataflow machines.
159
160 \begin{figure}[h!]
161 \centering
162 \includegraphics[scale=1]{fig/ch1/misd.pdf}
163 \caption{MISD machine architecture}
164 \label{fig:ch1:8}
165 \end{figure}
166
167
168 \item \textbf{Multiple instruction, Multiple data (MIMD) stream}: There are multiple processing elements, each one has a separate instruction  and  local data memories.
169 At any time, different processing elements may be used to execute different instructions on  different data fragment, see figure \ref{fig:ch1:9}. There are two types of MIMD machines: the shared memory and the message passing MIMD machines. 
170 In the former, processors  communicate via a shared memory model, while in the latter, each processor has its own local memory and all processors communicate with each others via a communication network model. The  multi-core processors, local clusters and grid systems are  some examples for  MIMD machine.
171 Many applications have been developed based on this architecture 
172 such as computer-aided design, computer-aided manufacturing, simulation, modeling, iterative applications and so on.
173
174  \begin{figure}[h!]
175 \centering
176 \includegraphics[scale=1]{fig/ch1/mimd.pdf}
177 \caption{MIMD machine architecture}
178 \label{fig:ch1:9}
179 \end{figure}
180 \end{itemize}
181  For more details about this architectural taxonomy see \cite{ref11,ref5,ref13,ref14}.
182
183 The work of this thesis is dedicated to MIMD machine's architecture. Therefore, we discuss in
184 this chapter some of the commonly used parallel architectures that belong to MIMD machines.
185 As explained before,  MIMD architectures can be classified into two types, the shared memory and the distributed message passing ones. Furthermore, these classifications are based on 
186 how MIMD processors access the memory model. The shared MIMD machine communication topology can be bus-based, extended or hierarchical type. Whereas, the distributed memory MIMD machine may have hypercube or mesh interconnected networks. In the following  some well known MIMD parallel computing platforms are explained:
187
188 \begin{itemize}
189 \item \textbf{Multi-core processors}:
190 The multi-core processor is a single chip component with two or more processing units. These processing units are called cores, which are connected to each other via a main memory model as in the figure \ref{fig:ch1:10}. Each individual core has its own cache memory to store  data. Moreover, each core may have  one or more threads to execute a specific programming task as shown in the thread-level parallelism. Historically, the multi-cores of the CPU began as two-core processors, then the number of cores  doubled with each semiconductor process generation \cite{ref12}. The graphic processing units (GPU) use extensively the multi-core architecture, 
191 the NVIDIA  GeForce TITAN Z has 5700 cores in the year of 2015 \cite{ref17}. While, in the same year a general-purpose microprocessor (CPU) has a lot less cores, for example the TILE-MX processor from Tilera has 100 cores  \cite{ref16}. For more details about the multi-core processors see \cite{ref15}.
192
193 \begin{figure}[h!]
194 \centering
195 \includegraphics[scale=1]{fig/ch1/multicores.pdf}
196 \caption{Multi-core processor architecture}
197 \label{fig:ch1:10}
198 \end{figure}
199
200
201 \item \textbf{Local Cluster}:
202  is a collection of independent  computers that are connected
203 to each other  via  a high speed  
204 local area network (LAN) with low latency and big bandwidth. Moreover, each node communicates with other nodes  using messages. All the nodes in the cluster must be controlled by one node called the master node, which is a specific node used to handle the scheduling and the management of the other nodes as shown in the figure \ref{fig:ch1:11}. Usually, all the nodes are homogeneous, they have the same specifications in term of  computing power and memory.  Also, all the computing nodes in the cluster run the same  operating system. See \cite{ref18, ref19} for more information about the cluster and its applications.
205
206 \begin{figure}[h!]
207 \centering
208 \includegraphics[scale=1]{fig/ch1/cluster.pdf}
209 \caption{Local cluster architecture}
210 \label{fig:ch1:11}
211 \end{figure}
212
213
214 \item \textbf{Grid (Distributed clusters)}:
215 Grid is a collection of  computing clusters from different sites that are connected via a wide area network (WAN). 
216 In particular, different local clusters compose the grid are geographically located far away from each others. Usually, each  cluster is composed of homogeneous nodes, which are different from  nodes of the other clusters located in different sites. These nodes can be different in their hardware and software specifications (i.e their computing power, their memory size, their operating system and their network: latency and bandwidth). Figure \ref{fig:ch1:12} presents an example of a grid that is composed of three heterogeneous clusters that are located in  different sites and  connected via a wide area network.  Furthermore, the grid can  refer to an infrastructure  that applies the integration and the collaboration by using  a collection  of different computers, networks, database servers  and scientific devices, which  belong to  many companies and universities. Therefore, wide heterogeneous computing resources are available to be used simultaneously by different users. Note that, the main bottleneck of the grid is the high latency communications between the nodes from different sites. 
217 See \cite{ref20} for more information about the grid and its applications.
218
219 \begin{figure}[h!]
220 \centering
221 \includegraphics[scale=0.85]{fig/ch1/grid.pdf}
222 \caption{Grid architecture}
223 \label{fig:ch1:12}
224 \end{figure}
225
226 \end{itemize}
227
228
229 \subsection{Parallel programming Models} 
230 \label{ch1:2:2}
231 Many parallel programming languages and libraries  have been developed 
232 to explore the computing power of the parallel architectures. In this section,
233 two types of parallel programming languages are investigated: (1) shared and (2) distributed programming models. Moreover, each  type is divided  into two subcategories according to their supporting level for the number of computing units from which  the parallel platform is composed.
234 Figure \ref{fig:ch1:14} presents this classification hierarchy of the parallel programming 
235 models. 
236
237 \begin{figure}[h!]
238 \centering
239 \includegraphics[scale=0.75]{fig/ch1/classification.pdf}
240 \caption{The classification of the parallel Programming Models}
241 \label{fig:ch1:14}
242 \end{figure}
243
244
245 Many programming interfaces and libraries have been developed to compile and run the 
246 parallel applications over the parallel architectures. In the following, 
247 some examples for each type of the parallel programming models are discussed:
248
249 \begin{itemize}
250 \item \textbf{Local cluster programming models}
251   \begin{itemize}
252     \item \textbf{MPI} \cite{ref23} is the Message Passing Interface and it is considered as a 
253                       standardization 
254                       dedicated to message passing in a distributed memory environment.
255                       The first version of MPI was designed by a group of researchers in
256                       1991. It  is a specification and have been implemented in many programming 
257                       languages such as C, Fortran and 
258                       Java. Programmes  written in these languages are compiled MPI with ordinary compilers.  
259                       The functions are not only limited to  peer to peer operations for 
260                       sending and receiving messages, there are many others collective 
261                       operations such as gathering and reduction operations. Furthermore, it has an
262                       asynchronous point to point operations, which make the computations 
263                       to overlap with communications. While MPI is not designed for grid,
264                        \textbf{MPICH}  is widely used as the communication interface for grid  applications 
265                        \cite{ref52}. 
266                       In this work,   MPI was used  in programming  our algorithms and applications which are
267                       implemented in both Fortran and C programming languages.  
268                       
269                  
270   \end{itemize} 
271   
272
273  
274 \item \textbf{Multi-core CPU programming models} 
275   \begin{itemize}
276    \item \textbf{OpenMP}  \cite{ref34} is a  parallel programming tool dedicated to shared memory 
277                 architectures. The main goal of using this programming model is to provide 
278                 a standard and portable API (application programming interface) to  write
279                 shared memory parallel programs. It can be used with many  programming languages such 
280                 as C, C++ and Fortran in order to support different types of shared memory platforms 
281                 such as multi-core processors.
282                 OpenMP uses multi-threading, which is a model in parallel programming 
283                 that uses a master thread to control a set of slave threads. Each
284                 thread can be executed in parallel by assigning it to a processor.  
285                 Moreover, OpenMP can be  used with MPI to support hybrid platforms which have 
286                 shared and distributed memory models at the same time.
287                 
288   
289     \end{itemize}
290
291   
292 \item \textbf{GPU programming models} 
293   \begin{itemize}
294    \item \textbf{CUDA} \cite{ref37} Modern graphical processing units (GPUs) have increased its chip-level  
295                        parallelism.  Current  NVIDIA  GPUs  consist of many-cores processor that have 
296                        thousands of cores. To make their GPUs a general purpose computing processor in 2007 
297                        the NVIDIA has  developed CUDA as parallel programming  language.
298                        A CUDA program has two parts: host and kernels.  The host  code is  sequentially 
299                        executed over the CPU. 
300                        While, the kernels are executed in parallel over the GPUs.
301  
302    \item \textbf{OpenCL}\cite{ref38} is for Open Computing Language. It is a parallel 
303                        programming language dedicated for heterogeneous platforms composed 
304                        of CPUs and GPUs. The first release of this language has initially developed by Apple  
305                        in 2008. Functions that are executed over OpenCL devices are called kernels. 
306                        They are portable and can be execute on any computing hardware such as CPU or GPU cores. 
307                      
308                          
309                                    
310   \end{itemize}
311   
312  
313 \end{itemize}
314
315
316 \section{Iterative Methods} 
317 \label{ch1:3}
318 In this work, we are interesting in solving linear equations which are well known in the scientific  area.
319 It is generally expressed in the following form:
320
321 \begin{equation}
322   \label{eq:linear}
323  A x = b
324 \end{equation}
325
326 Where $A$ is a two dimensional matrix of size $N \times N$, $x$ is the unknown vector,
327 and $b$ is a vector of constant, each of size $N$. There are two types of solution methods to solve this linear system.
328 The first type of methods is called \textbf{Direct methods}, which consist of a finite number of steps depending on the 
329 size  of the linear system to give the exact solution. If the problem size is very big, these methods are expensive or their
330 solutions are impossible in some cases.  The second type is called \textbf{Iterative methods}, which computes 
331 the same block of  operations  several times, starting from the initial vector until reaching  the acceptable 
332 approximation  of the exact solution. However, it can be effectively applied in parallel. Moreover, iterative methods can be used to solve both  linear and non-linear equations.
333
334 The sequential iterative algorithm is typically organized as a series of steps essentially  of the form:
335
336 \begin{equation}
337   \label{eq:iter}
338    X^{(k+1)} \longleftarrow F(X^k) 
339 \end{equation}
340
341 Where $F$ is one or set of operations applied to the data vector $X^k$ to produce the new data vector $X^{(k+1)}$. The operation $F$ is applied sequentially many times until satisfying the convergence condition as in the   algorithm \ref{sia}.
342
343
344
345 \begin{algorithm}[h!]
346 \begin{algorithmic}[1]
347   
348     \State Initialize the vector $X^0$ randomly  
349     \For {$k:=1$  to \textit{convergence}}
350     
351       \State $X^{(k+1)} = F(X^k)$ 
352    \EndFor
353    \end{algorithmic}
354    \caption{The iterative sequential algorithm}
355   \label{sia}
356    
357 \end{algorithm}
358
359 The sequential iterative algorithm at each iteration computes the value of the relative error, which is called the residual and denoted as $R$. This error value can be computed as the maximum difference  between the  data components of the vectors of the last two successive iterations as follows:
360
361  \begin{equation}
362   \label{eq:res}
363    R = \max_{i=1, \dots, N}  \abs{X_i^{(k+1)} - X_i^k}
364 \end{equation}  
365 Where $N$ is the size of the vector $X$. Then, the iterative sequential algorithm stops  iterating if the maximum error between the last two successive solution vectors, as in \ref{eq:res}, is less than or equal a threshold value. Otherwise, it replaces the new vector $X^{(k+1)}$ with the old vector $X^k$ and computes a new iteration.
366
367 \subsection{Synchronous Parallel Iterative method} 
368 \label{ch1:3:1}
369 The sequential iterative algorithm \ref{sia} can be parallelized by executing it on many computing units. To solve this algorithm on $M$ computing units, first the elements of the problem vector $X$ must be subdivided into $M$ sub-vectors, $X^k=(X_1^k,\dots,X_M^k)$. 
370 Each sub-vector can be solved  independently on one computing unit as follows:
371
372 \begin{equation}
373   \label{eq:subvector}
374    X_i^{k+1}= F_i(X_1^k,\dots,X_M^k)  \hspace{1cm} where \hspace{0.2cm} i=1,\dots, M
375 \end{equation}
376
377 Where $X_i^k$ is the sub-vector executed over the $i^{th}$ computing unit at the iteration $k$.
378
379 \begin{algorithm}[h!]
380 \begin{algorithmic}[1]
381   
382   \State Initialize the sub-vectors $(X_1^0,\dots,X_M^0)$   
383     \For {$k:=1$  step $1$ to \textit{convergence}}
384        \For {$i:=1$   to \textit{M}}
385         \State $X^{(k+1)} = F(X^k)$
386       \EndFor
387     \EndFor  
388
389    
390    \end{algorithmic}
391    \caption{The synchronous parallel iterative algorithm}
392   \label{spia}
393 \end{algorithm}
394
395
396 The algorithm \ref{spia} represents the synchronous parallel iterative algorithm. Similarly to 
397 the sequential iterative algorithm \ref{spia}, this algorithm stops iterating when the convergence condition  is satisfied.
398
399 This algorithm needs to satisfy some convergence condition which  is called the  global convergence condition. In order to detect the global convergence overall computing units, first we need to compute
400 at each iteration the local residual. Then at the end of each iteration, all the local residuals  from $M$ computing units must be reduced to one maximum  value represented by the  global residual.
401 For example, in MPI this operation is directly applied using a high level communication procedure  called \textit{AllReduce}. The goal of this communication procedure is to apply the reduction operation on all local residuals computed by the computing units.
402
403
404 \begin{figure}[h!]
405 \centering
406 \includegraphics[scale=0.75]{fig/ch1/sisc.pdf}
407 \caption{The SICS Model}
408 \label{fig:ch1:15}
409 \end{figure}
410
411
412 In a synchronous parallel iterative algorithm, computing processors need to communicate with each others to 
413 exchange data at each iteration if there is a dependency between the parallel tasks. Algorithm \ref{spia}  use synchronous iterations and synchronous communications  denoted as \textbf{SISC} model.  At each iteration, the computing processor waits until 
414 it  receives all the  computed data at the previous iteration from other processors to perform the next iteration. Figure \ref{fig:ch1:15}, shows that using SISC model in a heterogeneous platform may result in  big periods  of the idle times represented by the white dashed spaces between two successive iterations. Indeed, this happens when the fast computing processors wait for the slower ones to finish their iterations to be able to synchronously send their data to them. 
415 Using this operation, faster processors waste a big amount of their computing power and thus consume uselessly energy.
416 The increase in the heterogeneity in the computing powers between the  processors may increase proportionally these idle times.
417 Accordingly, this algorithm can be  effectively run over a local cluster, where a high speed local network is used to reduce these idle times.  
418
419
420 \begin{figure}[h!]
421 \centering
422 \includegraphics[scale=0.75]{fig/ch1/siac.pdf}
423 \caption{The SIAS Model}
424 \label{fig:ch1:16}
425 \end{figure}
426
427 Furthermore, the communications of the synchronous iterative algorithm can be replaced by asynchronous ones. The resulting algorithm is called  Synchronous Iteration and Asynchronous 
428 Communication  and denoted as \textbf{SIAC} algorithm. The main principle of this algorithm is to use a synchronized iterations while exchanging the data between the computing units asynchronously.
429 Moreover, each computing unit doesn't need to wait for its neighbours to receive the data messages 
430 that it has sent, while it only waits to receive  data from them. This can be implemented with SISC algorithm that is programmed in MPI by replacing the synchronous send of the messages by asynchronous ones, while keeping  
431 the synchronous receive. The only advantage of this technique is to reduce the idle times between iterations by allowing the communications to overlap partially
432 with computations, see figure \ref{fig:ch1:16}. The idle times are not totally eliminated  because the
433 fast computing nodes must  wait for slow ones to send their data messages. 
434 SISC and SIAC algorithms are not tolerant to the loss of data messages. Consequently, if one node crashes, all the other computing nodes are blocked.
435
436
437  
438 \subsection{Asynchronous Parallel Iterative method} 
439 \label{ch1:3:2}
440 The asynchronous iterations mean that all processors perform their iterations without considering the works of  other processors. Each processor doesn't have to wait to receive 
441 data messages from  other processors and continues to compute the next iteration using the last data received from neighbours. Therefore, there  are no  idle times at all between the iterations as in figure \ref{fig:ch1:17}.  This figure indicates that  fast processors can perform more iterations than  the slower ones at the same time. 
442 The asynchronous iterative algorithm that uses an asynchronous communications  is called  \textbf{AIAC} algorithm. Similarly to the SISC algorithm, the AIAC algorithm subdivides the global vectors $X$ into $M$ sub-vectors between the computing units. The main difference between the two algorithms is that these $M$ sub-vectors are not updated at each iteration in the AIAC algorithm because both  iterations and communications are asynchronous. 
443
444
445 \begin{figure}[h!]
446 \centering
447 \includegraphics[scale=0.75]{fig/ch1/aiac.pdf}
448 \caption{The AIAC Model}
449 \label{fig:ch1:17}
450 \end{figure}
451
452 The global convergence detection of the asynchronous parallel iterative is problem dependent process.
453 For more information about the convergence detection techniques of the asynchronous iterative methods, refer to \cite{ref40,ref41,ref42,ref43} for more details. 
454
455
456 The implementation of the AIAC method is not easy, but it gives many advantages over the traditional synchronous iterative method:
457
458 \begin{itemize}
459 \item It prevents the existence of idle times, since each processor does not have to wait 
460       to receive the data messages from its neighbours to compute the next iteration.
461       
462 \item Less sensitive for the heterogeneous communications and nodes' computing powers. In heterogeneous 
463       platform, the fast nodes don't need to wait for the slow ones, and they can  perform more iterations
464       compared to them. While in the traditional synchronous iterative methods, the fast computing nodes perform
465       the same number of iterations as the slow ones because they are blocked. 
466
467 \item The loss of data messages is totally tolerant because each computing unit is not  
468       blocked waiting for the message. If the message is lost, the destination node does not have to wait  
469       for this data message and it uses the last received data to perform its iteration  
470       independently.
471       
472 \item In the grid architecture, the local clusters from different sites are 
473       connected via a slow network with a high latency. The use of the AIAC model 
474       reduces the delay of sending the data message over such slow network link and thus the performance 
475       of the applications is not effected.
476 \end{itemize}
477
478
479 In addition to the difficulty of applying the asynchronous iterative model, it has some 
480 disadvantages that can be summarized by these points:
481
482 \begin{itemize}
483 \item It is not compatible with all types of the iterative applications because some of these 
484       applications need to receive  data messages  at each iteration or they would not converge. 
485  
486 \item An asynchronous iterative method requires more iterations compared 
487       to the synchronous one to converge. The increase in the number of iterations may increase proportionally 
488       the execution time of the application if it is being executed on a fast homogeneous cluster.
489     
490 \item Since each node does not receive  new data messages at each iteration,  detecting the global convergence 
491       is harder than for the synchronous model. 
492       Therefore, in AIAC algorithm a process can perform many iterations    
493       without receiving any data messages from its neighbours. The absence of receiving new 
494       data messages makes the data component invariant at the computing units and thus it provides 
495       a false local convergence.  At the reception of the first data message,
496        the local subsystem will  diverge after computing the next iteration. 
497       Therefore, special mechanisms are required for detecting the global convergence of a parallel 
498       iterative algorithm implemented according to the asynchronous iteration model.
499
500
501 \end{itemize}
502
503
504 In our works, we are interested in optimizing the energy consumption of parallel iterative methods running over 
505 clusters or grids. 
506
507
508
509 \section{The energy consumption model of a parallel application} 
510 \label{ch1:4}
511
512 Many researchers~\cite{ref46,ref47,ref48,ref49} divide the power consumed by a processor into
513 two power metrics:  static power and  dynamic power.  The first one is
514 consumed as long as the computing unit is on, the latter is only consumed during
515 computation times.  The dynamic power $P_{dyn}$ is related to the switching
516 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
517 operational frequency $F$, as shown in EQ~(\ref{eq:pd}).
518 \begin{equation}
519   \label{eq:pd}
520   P_\textit{dyn} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
521 \end{equation}
522 The static power $P_{static}$ captures the leakage power as follows:
523 \begin{equation}
524   \label{eq:ps}
525    P_\textit{static}  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
526 \end{equation}
527 Where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
528 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
529 technology-dependent parameter.  
530
531
532 The dynamic voltage and frequency scaling technique (\textbf{DVFS}) is a process that is allowed in modern processors to reduce the dynamic
533 power by scaling down the voltage and frequency of the CPU.  Its main objective is to
534 reduce the overall energy consumption of the CPU~\cite{ref77}.  The operational frequency $F$
535 depends linearly on the supply voltage $V$ as follows:
536 \begin{equation} 
537 \label{eq:v}
538 V = \beta \cdot F
539 \end{equation}
540
541  Where $\beta$ is some of constant.  This equation is used to study the change of the dynamic
542 voltage with respect to various frequency values in~\cite{ref47}.  The reduction
543 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
544 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
545 \begin{equation}
546   \label{eq:s}
547  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
548 \end{equation}
549 The value of the scaling factor $S$ is greater than 1 when changing the
550 frequency of the CPU to any new frequency value~(\emph{P-state}) in the
551 governor.  The CPU governor is an interface driver supplied by the operating
552 system's kernel to lower a core's frequency \cite{ref8}.  
553
554 Depending on the equation \ref{eq:s}, the new frequency $F_{new}$ can be calculated as follows:
555
556 \begin{equation}
557   \label{eq:fnew}
558   F_\textit{new}= S^{-1} \cdot  F_\textit{max}
559 \end{equation}
560
561
562 Replacing $V$  in \ref{eq:pd} as in \ref{eq:v} gives the following equation of the dynamic power consumption
563 as a function of the constant $\beta$ instead of $V$: 
564
565 \begin{equation}
566   \label{eq:pd-beta}
567    P_{dyn}= \alpha \cdot C_L \cdot (\beta \cdot F) ^2 \cdot  F  =\alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot  F^3
568 \end{equation}
569
570 Replacing $F_{new}$ in \ref{eq:pd-beta} as in \ref{eq:fnew} gives the following equation for dynamic power consumption:
571
572 \begin{multline}
573   \label{eq:pdnew}
574    P_{dynNew} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot  F_{new}^3 = 
575    \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot  F_{max}^3 \cdot S^{-3} =
576    \alpha \cdot C_L \cdot (\beta \cdot  F_{max})^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} \\
577    {} =\alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dyn} \cdot S^{-3}
578 \end{multline}
579
580 Where $P_{dynNew}$  and $P_{dyn}$ are the  dynamic powers consumed with the
581 new frequency and the maximum frequency respectively.
582
583 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of
584 $S^{-3}$ when reducing the frequency of a processor by a factor of $S$.
585 The energy consumption is measured in Joule, and can be calculated by
586 multiplying the power consumption, measured in watts, by the  execution time of the program as follows:
587
588 \begin{equation}
589   \label{eq:E}
590   Energy = Power \cdot T
591 \end{equation}
592
593 According to the equation \ref{eq:E}, the dynamic energy consumption of the program executed in the time $T$ over one processor is the dynamic power multiplied by the execution time. Moreover, the frequency scaling factor $S$ increases the execution time of the processor linearly, then the new dynamic energy consumption can be computed as follows:
594
595 \begin{equation}
596   \label{eq:Edyn}
597    E_{dynNew} = P_{dyn} \cdot S^{-3} \cdot (T \cdot S)= S^{-2} \cdot P_{dyn} \cdot  T
598 \end{equation}
599
600
601 According to \cite{ref46,ref47}, the static power consumption $P_{static}$  does not changed when the frequency of the processor is scaled down. Therefore, the static energy consumption can be computed as follows:
602 \begin{equation}
603   \label{eq:Estatic}
604    E_{static} = S \cdot  P_{static}  \cdot T
605 \end{equation}
606
607
608 Therefore, the energy consumption of an individual task running over one processor 
609 is the sum of both static and dynamic energies that  can be computed as follows:
610 \begin{equation}
611  \label{eq:Eind}
612   E_{ind} =  E_{dynNew} + E_{static} = S^{-2} \cdot P_{dyn} \cdot  T + S \cdot  P_{static}  \cdot T
613 \end{equation}
614
615  
616 The total energy consumption of $N$  parallel task  running on $N$ processors is the summation  of the individual energies consumed by all processors. This model is developed and used by  Rauber and Rünger~\cite{ref47}. 
617 The total energy consumed by the parallel tasks running on a homogeneous platform is computed by sorting the execution time of the all parallel tasks in a descending order, then using EQ~(\ref{eq:energy}).
618
619 \begin{equation}
620   \label{eq:energy}
621   E_\textit{~all~tasks} = P_\textit{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
622     \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^2} \right) +
623     P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N
624  \hfill
625 \end{equation}
626
627 Where $N$ is the number of parallel tasks, $T_i$  for $i=1,\dots,N$ are
628 the execution times of the sorted tasks.  Therefore, $T1$ is
629 the time of the slowest task, and $S_1$ its scaling factor which should be the
630 highest because they are proportional to the time values $T_i$. 
631 Finally, model \ref{eq:energy}  can be used to measure the energy consumed by any parallel application such as the iterative parallel applications with respect to the new scaled frequency value. 
632
633 There are two drawbacks in this energy model as follows:
634 \begin{itemize}
635 \item The message passing iterative program consists of the communication and computation times.
636       This energy model assumes that the dynamic power is consumed during both these times.
637       While the processor during the communication times remains idle and only consumes the static 
638       power, for more details see \cite{ref53}. 
639
640
641 \item It is not well adapted to a heterogeneous architecture when there are different 
642       types of  processors, which  consume different dynamic and static powers. 
643 \end{itemize}
644
645 Therefore, one of the more important goals of this work is to develop a new energy models that 
646  take into consideration the communication times in addition to the  computation times in order to modelize and measure the energy consumptions of the parallel iterative methods. These models must be suitable to  homogeneous or heterogeneous parallel architectures.  
647
648 \section{Conclusion}
649 \label{ch1:5}
650 In this chapter, three sections have been presented to describe the parallel hardware architectures, the parallel iterative applications and the energy consumption model used to measure the energy consumption of these applications. 
651 The different types of parallelism levels that can be implemented in  software and hardware techniques have been explained in the first section. Afterwards,  different types of  parallel architectures have been discussed and classified according to the connection between the computation units and the memory model.  
652 Both  shared and distributed platforms as well as their depending parallel programming models have been categorized.
653 In the second section, the two types of parallel iterative methods: synchronous and asynchronous ones were presented. The synchronous iterative methods are well adapted to local homogeneous clusters with a high speed network link, while the asynchronous iterative methods are more suited to the distributed heterogeneous clusters. 
654 Finally, in the third section, an energy consumption model proposed in the state of the art to  measure the energy consumption of parallel applications was explained. This model  cannot be used for all types of parallel architectures. Since, it assumes  that the dynamic power is consumed during both of the communication and computation times, while the processor involved remains idle during the communication times and  only consumes the static power. Moreover, it is not well adapted to  heterogeneous architectures when there are different types of processors, that consume different dynamic and static powers.
655
656 For these reasons, in the next chapters of this thesis  new energy consumption models are developed to effectively predict the energy consumed by parallel iterative methods running on both homogeneous and heterogeneous architectures.  Additionally, these energy models are used in a method  optimizes  both  energy consumption and performance of an iterative message passing application.