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[mpi-energy.git] / paper.tex
1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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19 \newcommand{\JC}[2][inline]{\todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{JC:} #2}\xspace}
20
21 \begin{document}
22
23 \title{Dynamic Frequency Scaling for Energy Consumption Reduction in Distributed MPI Programs}
24
25 \author{%
26   \IEEEauthorblockN{%
27     Jean-Claude Charr,
28     Raphaël Couturier,
29     Ahmed Fanfakh and
30     Arnaud Giersch
31   }
32   \IEEEauthorblockA{%
33     FEMTO-ST Institute\\
34     University of Franche-Comté\\
35     IUT de Belfort-Montb\'{e}liard, Rue Engel Gros, BP 27, 90016 Belfort, France\\
36    Fax  : (+33)~3~84~58~77~32\\
37    Email: \{jean-claude.charr, ahmed.fanfakh, raphael.couturier, arnaud.giersch\}@univ-fcomte.fr
38    }
39   }
40
41 \maketitle
42
43 \JC{Use Capital letters for only the first letter in the title of a section, table, figure, ...} 
44 \begin{abstract}
45   Dynamic Voltage Frequency Scaling (DVFS) can be applied to modern CPUs. 
46 This technique is usually used to reduce the energy consumed by a CPU while
47 computing . Indeed, power consumption by a processor at a given instant is
48 exponentially related to its frequency. Thus, decreasing the frequency reduces
49 the power consumed by the CPU. However, it can also significantly affect the
50 performance of the executed program if it is compute bound and a low CPU
51 frequency is selected. The performance degradation ratio can even be higher than
52 the saved energy ratio.Therefore, the chosen scaling factor must give the best possible tradeoff
53 between energy reduction and performance. 
54
55 In this paper we present an algorithm
56 that predicts the energy consumed with each frequency gear and selects the one that
57 gives the best ratio between energy consumption reduction and performance.
58 This algorithm works online without training or profiling and
59 has a very small overhead. It also takes into account synchronous communications between the nodes
60 that are executing the distributed algorithm. The algorithm has been evaluated over the SimGrid simulator
61 while being applied to the NAS parallel benchmark programs. The results of the experiments show that it outperforms other existing scaling factor selection algorithms.
62 \end{abstract}
63
64 \section{Introduction}
65 \label{sec.intro}
66
67 The need and demand for more computing power have been increasing since the birth of the first computing unit and it is not expected to slow
68 down in the coming years. To satisfy this demand, researchers and supercomputers
69 constructors have been regularly increasing the number of computing cores and processors in
70 supercomputers (for example in November 2013, according to the TOP500
71 list~\cite{43}, the Tianhe-2 was the fastest supercomputer. It has more than 3
72 millions of cores and delivers more than 33 Tflop/s while consuming 17808
73 kW). This large increase in number of computing cores has led to large energy
74 consumption by these architectures. Moreover, the price of energy is expected to
75 continue its ascent according to the demand. For all these reasons energy
76 reduction became an important topic in the high performance computing field. To
77 tackle this problem, many researchers used DVFS (Dynamic Voltage Frequency
78 Scaling) operations which reduce dynamically the frequency and voltage of cores
79 and thus their energy consumption. Indeed, modern CPUs offer a set of acceptable frequencies which are usually called gears, and the user or the operating system can modify the frequency of the processor according to its needs. However, DVFS also degrades the
80 performance of computation. Therefore researchers try to reduce the frequency to
81 minimum when processors are idle (waiting for data from other processors or
82 communicating with other processors). Moreover, depending on their objectives
83 they use heuristics to find the best scaling factor during the computation. If
84 they aim for performance they choose the best scaling factor that reduces the
85 consumed energy while affecting as little as possible the performance. On the
86 other hand, if they aim for energy reduction, the chosen scaling factor must
87 produce the most energy efficient execution without considering the degradation
88 of the performance. It is important to notice that lowering the frequency to
89 minimum value does not always give the most energy efficient execution due to energy
90 leakage. The best scaling factor might be chosen during execution (online) or
91 during a pre-execution phase.  In this paper, we present an
92 algorithm that selects a frequency scaling factor that simultaneously takes into
93 consideration  the energy consumption by the CPU and the performance of the application. The
94 main objective of HPC systems is to execute as fast as possible the application. 
95 Therefore, our algorithm selects the scaling factor online with
96 very small footprint. The proposed algorithm takes into account the
97 communication times of the MPI program to choose the scaling factor. This
98 algorithm has ability to predict both energy consumption and execution time over
99 all available scaling factors.  The prediction achieved depends on some
100 computing time information, gathered at the beginning of the runtime.  We apply
101 this algorithm to seven MPI benchmarks. These MPI programs are the NAS parallel
102 benchmarks (NPB v3.3) developed by NASA~\cite{44}. Our experiments are executed
103 using the simulator SimGrid/SMPI v3.10~\cite{Casanova:2008:SGF:1397760.1398183}
104 over an homogeneous distributed memory architecture. Furthermore, we compare the
105 proposed algorithm with Rauber and Rünger methods~\cite{3}.
106 The comparison's results show that our
107 algorithm gives better energy-time tradeoff.
108
109 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents related works
110 from other authors.  Section~\ref{sec.exe} shows the execution of parallel
111 tasks and sources of idle times.  It resumes the energy
112 model of homogeneous platform. Section~\ref{sec.mpip} evaluates the performance
113 of MPI program.  Section~\ref{sec.compet} presents the energy-performance tradeoffs
114 objective function. Section~\ref{sec.optim} demonstrates the proposed
115 energy-performance algorithm. Section~\ref{sec.expe} verifies the performance prediction
116 model and presents the results of the proposed algorithm.  Also, It shows the comparison results. Finally,
117 we conclude in Section~\ref{sec.concl}.
118 \section{Related Works}
119 \label{sec.relwork}
120
121 \AG{Consider introducing the models sec.~\ref{sec.exe} maybe before related works}
122
123 In this section, some heuristics to compute the scaling factor are
124 presented and classified into two categories: offline and online methods.
125
126 \subsection{Offline scaling factor selection methods}
127
128 The offline scaling factor selection methods are executed before the runtime of
129 the program. They return static scaling factor values to the processors
130 participating in the execution of the parallel program. On one hand, the scaling
131 factor
132 values could be computed based on information retrieved by analyzing the code of
133 the program and the computing system that will execute it. In ~\cite{40},
134 Azevedo et
135 al. detect during compilation the dependency points between  
136 tasks in a parallel program. This information is then used to lower the frequency of
137 some processors in order to eliminate slack times. A slack time is the period of time during which a processor that have already finished its computation, have to wait
138 for a set of processors to finish their computations and send their results to the
139 waiting processor in order to continue its task that is
140 dependent on the results of computations being executed on other processors.
141 Freeh et al. showed in ~\cite{17} that the 
142 communication times of MPI programs do not change when the frequency is scaled down.
143 On the other hand, some offline scaling factor selection methods use the
144 information gathered from previous full or
145 partial executions of the program. A part or the whole program is usually executed over all the available frequency gears and the the execution time and the energy consumed  with each frequency gear are measured. Then an heuristic or an exact method uses the retrieved information to compute the values of the scaling factor for the processors.  
146    In~\cite{29}, Xie et al. use an exact exponential breadth-first search algorithm to compute the scaling factor values that give the optimal energy reduction while respecting a deadline for a sequential program. They also present a linear heuristic that approximates the optimal solution. In~\cite{8} , Rountree et al. use a linear programming
147 algorithm, while in~\cite{38,34}, Cochran et al. use multi logistic regression algorithm for the same goal. 
148 The main drawback for these methods is that they all require executing a part or the whole program on all frequency gears for each new instance of the same program. 
149
150 \subsection{Online scaling factor selection methods}
151 The online scaling factor selection methods are executed during the runtime of the program. They are usually integrated into iterative programs where the same block of instructions is executed many times.  During the first few iterations, many informations are measured such as the execution time, the energy consumed using a multimeter, the slack times, ... Then a  method will exploit these measurements to compute the scaling factor values for each processor. This operation, measurements and computing new scaling factor, can be repeated as much as needed if the iterations are not regular. Kimura, Peraza, Yu-Liang et al.  ~\cite{11,2,31} used learning methods to select the appropriate scaling factor values  to eliminate the slack times during runtime. However, as seen in ~\cite{39,19}, machine learning methods can take a lot of time to converge when the number of available gears is big. To reduce the impact of slack times,  in~\cite{1}, Lim et al. developed an algorithm that detects the
152 communication sections and changes the frequency during these sections
153 only. This approach might change the frequency of each processor many times per iteration if an iteration
154 contains more than one communication section. In ~\cite{3}, Rauber et al. used an analytical model that after measuring the energy consumed and the execution time with the highest frequency gear, it can predict the energy consumed and the execution time for every frequency gear .   These predictions may be used to choose the optimal gear for each processor executing the parallel program to reduce energy consumption. 
155 To maintain the performance of the parallel program , they
156 set the  processor with the biggest load to the highest gear and then compute the scaling  factor values for the rest pf the processors. Although this model was built for parallel architectures, it can be adapted  to distributed architectures by taking into account the communications. 
157 The primary contribution of this paper is presenting a new online scaling factor selection method which has the following characteristics :
158 \begin{enumerate}
159 \item Based on Rauber's analytical model to predict the energy consumption and the execution time of the application with different frequency gears. 
160 \item Selects the frequency scaling factor for simultaneously optimizing energy reduction and maintaining performance.
161 \item Well adapted to distributed architectures because it takes into account the communication time.
162 \item Well adapted to distributed applications with imbalanced tasks.
163 \item Has very small footprint when compared to other
164   methods (e.g.,~\cite{19}) and does not require profiling or training as
165   in~\cite{38,34}.
166 \end{enumerate}
167
168
169 \section{Execution and Energy of Parallel Tasks on Homogeneous Platform} 
170 \label{sec.exe}
171 \JC{The whole subsection ``Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform'', can be deleted if we need space, we can just say we are interested in this paper in homogeneous clusters}
172 \subsection{Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform}
173 A homogeneous cluster consists of identical nodes in terms of hardware and software. 
174 Each node has its own memory and at least one processor which can
175 be a multi-core. The nodes are connected via a high bandwidth network. Tasks
176 executed on this model can be either synchronous or asynchronous. In this paper
177 we consider execution of the synchronous tasks on distributed homogeneous
178 platform. These tasks can exchange the data via synchronous message passing.
179 \begin{figure*}[t]
180   \centering
181   \subfloat[Sync. Imbalanced Communications]{\includegraphics[scale=0.67]{commtasks}\label{fig:h1}}
182   \subfloat[Sync. Imbalanced Computations]{\includegraphics[scale=0.67]{compt}\label{fig:h2}}
183   \caption{Parallel Tasks on Homogeneous Platform}
184   \label{fig:homo}
185 \end{figure*}
186 Therefore, the execution time of a task consists of the computation time and the
187 communication time. Moreover, the synchronous communications between tasks can
188 lead to slack times while tasks wait at the synchronization barrier for other tasks to
189 finish their tasks (see figure~(\ref{fig:h1})). The imbalanced communications 
190 happen when nodes have to send/receive different amount of data or they communicate
191 with different number of nodes. Another source of idle times is the imbalanced computations.  
192 This happens when processing different amounts of data on each processor  (see figure~(\ref{fig:h2})).  
193 In this case the fastest tasks have to wait at the synchronization barrier for the 
194 slowest ones to begin the next task. In both cases the overall execution time 
195 of the program is the execution time of the slowest task as in equation \ref{eq:T1}.
196 \begin{equation}
197   \label{eq:T1}
198   \textit{Program Time} = \max_{i=1,2,\dots,N} T_i
199 \end{equation}
200 where $T_i$ is the execution time of task $i$ and all the tasks are executed concurrently on different processors.
201
202 \subsection{Energy Model for Homogeneous Platform}
203
204 Many researchers~\cite{9,3,15,26} divide the power consumed by a processor to two power metrics: the
205  static and the dynamic power. While the first one is consumed as long as the computing unit is on, the latter is only consumed during computation times. The dynamic power
206 $P_{dyn}$  is related to the switching activity $\alpha$, load capacitance $C_L$,
207 the supply voltage $V$ and operational frequency $f$, as shown in equation ~\ref{eq:pd}.
208 \begin{equation}
209   \label{eq:pd}
210   P_\textit{dyn} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot f
211 \end{equation}
212 The static power $P_{static}$ captures the leakage power as follows:
213 \begin{equation}
214   \label{eq:ps}
215    P_\textit{static}  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
216 \end{equation}
217 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors, $K_{design}$ is a
218 design dependent parameter and $I_{leak}$ is a technology-dependent
219 parameter. Energy consumed by an individual processor $E_{ind}$ is the summation
220 of the dynamic and the static powers multiplied by the execution time~\cite{36,15}.
221 \begin{equation}
222   \label{eq:eind}
223    E_\textit{ind} = ( P_\textit{dyn} + P_\textit{static} ) \cdot T
224 \end{equation}
225 DVFS is a process that is allowed in
226 modern processors to reduce the dynamic power by scaling down the voltage and
227 frequency. Its main objective is to reduce the overall energy
228 consumption~\cite{37}. The operational frequency \emph f depends linearly on the
229 supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot f$ with some constant $\beta$. This
230 equation is used to study the change of the dynamic voltage with respect to
231 various frequency values in~\cite{3}. The reduction process of the frequency can be
232 expressed by the scaling factor \emph S which is the ratio between the
233 maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
234 \begin{equation}
235   \label{eq:s}
236  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
237 \end{equation}
238 The value of the scaling factor $S$ is greater than 1 when changing the frequency of the CPU to any
239 new frequency value~(\emph {P-state}) in the governor. The CPU governor is an
240 interface driver supplied by the operating system's kernel to
241 lower a core's frequency.  This factor reduces
242 quadratically the dynamic power which may cause degradation in performance and thus, the increase of the static energy because the execution time is increased~\cite{36}. If the tasks are sorted according to their execution times before scaling in a descending order,   the total energy consumption model for a parallel
243 homogeneous platform, as  presented by Rauber et al.~\cite{3}, can be written as a function of   the scaling factor \emph S,   as in EQ~(\ref{eq:energy}).
244
245 \JC{Are you sure of the following equation}
246 \begin{equation}
247   \label{eq:energy}
248   E = P_\textit{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
249     \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^2} \right) +
250     P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N
251  \hfill
252 \end{equation}
253 where \emph N is the number of parallel nodes,  $T_i  \  and  \  S_i \  for \  i=1,...,N$ are the execution times and scaling factors of the sorted tasks. Therefore,  $T1$ is the time of the slowest task,  and $S_1$ its scaling factor which should be the highest because they are proportional to
254 the time values $T_i$.  The scaling factors are computed as in EQ~(\ref{eq:si}).
255 \JC{This equation does not make sense either, what's S? there is no F}
256 \begin{equation}
257   \label{eq:si}
258   S_i = S \cdot \frac{T_1}{T_i}
259       = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}} \cdot \frac{T_1}{T_i}
260 \end{equation}
261 \JC{The Rauber model was used for a parallel machine not a homogeneous platform}
262 where $F$ is the number of available frequencies. In this paper we depend on
263 Rauber and Rünger energy model EQ~(\ref{eq:energy}) for two reasons: (1) this
264 model is used for homogeneous platform that we work on in this paper, and (2) we
265 compare our algorithm with Rauber and Rünger scaling factor selection method which is based on
266 EQ~(\ref{eq:energy}). The optimal scaling factor is computed by minimizing the derivation for this equation which produces EQ~(\ref{eq:sopt}).
267 \JC{what's the small n in the equation}
268
269 \begin{equation}
270   \label{eq:sopt}
271   S_\textit{opt} = \sqrt[3]{\frac{2}{n} \cdot \frac{P_\textit{dyn}}{P_\textit{static}} \cdot
272     \left( 1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^3} \right) }
273 \end{equation}
274
275 \JC{The following 2 sections can be merged easily}
276
277 \section{Performance Evaluation of MPI Programs}
278 \label{sec.mpip}
279
280 The performance (execution time) of  parallel synchronous MPI applications depend on
281 the time of the slowest task as in figure~(\ref{fig:homo}).  If there is no communication and the application is not data bounded,   the
282 execution time of a parallel program is linearly proportional to the operational
283 frequency and  any DVFS operation for  energy reduction increases the
284 execution time of the parallel program. Therefore, the scaling factor $S$ is  linearly proportional to the  execution time. However, in most of MPI applications  the processes exchange data. During these
285 communications the processors involved remain idle until the communications are
286 finished. For that reason any change in the frequency has no impact on the time
287 of communication~\cite{17}. The
288 communication time for a task is the summation of  periods of time that  begin with an MPI call for
289 sending or receiving a message till the message is synchronously sent or received. To be able to predict the execution time of MPI program, the communication time and 
290 the computation time for the slower task must be  measured before scaling. These times are used to predict the execution time for any MPI program as a function of 
291 the new scaling factor as in EQ~(\ref{eq:tnew}).
292 \begin{equation}
293   \label{eq:tnew}
294  \textit  T_\textit{new} = T_\textit{Max Comp Old} \cdot S + T_{\textit{Max Comm Old}}
295 \end{equation}
296  In this paper, this prediction method is used to select the best scaling factor for each processor as presented in the next section.
297
298
299 \section{Performance to Energy Competition}
300 \label{sec.compet}
301
302 This section demonstrates our approach for choosing the optimal scaling
303 factor. This factor gives maximum energy reduction taking into account the
304 execution times for both computation and communication. The relation
305 between the energy and the performance is nonlinear and complex, because the
306 relation of the energy with scaling factor is nonlinear and with the performance
307 it is linear see~\cite{17}.  Moreover, they are not measured using the same metric.
308 For solving this problem, we normalize the energy by calculating the ratio
309 between the consumed energy with scaled frequency and the consumed energy
310 without scaled frequency:
311 \begin{multline}
312   \label{eq:enorm}
313   E_\textit{Norm} = \frac{ E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
314         {} = \frac{P_\textit{dyn} \cdot S_i^{-2} \cdot
315                \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
316                P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_i \cdot N  }{
317               P_\textit{dyn} \cdot \left(T_1+\sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
318               P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot N }
319 \end{multline}
320 By the same way we can normalize the performance as follows:
321 \begin{equation}
322   \label{eq:pnorm}
323   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}
324           = \frac{T_\textit{Max Comp Old} \cdot S +
325            T_\textit{Max Comm Old}}{T_\textit{Max Comp Old} +
326            T_\textit{Max Comm Old}}
327 \end{equation}
328 The second problem is that the optimization operation for both energy and performance
329 is not in the same direction. In other words, the normalized energy and the
330 performance curves are not in the same direction see figure~(\ref{fig:r2}).
331 While the main goal is to optimize the energy and performance in the same
332 time. According to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the
333 scaling factor \emph S reduce both the energy and the performance
334 simultaneously. But the main objective is to produce maximum energy reduction
335 with minimum performance reduction. Many researchers used different strategies
336 to solve this nonlinear problem for example see~\cite{19,42}, their methods add
337 big overhead to the algorithm for selecting the suitable frequency. In this
338 paper we present a method to find the optimal scaling factor \emph S for
339 optimizing both energy and performance simultaneously without adding big
340 overheads.  Our solution for this problem is to make the optimization process
341 have the same direction. Therefore, we inverse the equation of normalize
342 performance as follows:
343 \begin{equation}
344   \label{eq:pnorm_en}
345   P^{-1}_\textit{Norm} = \frac{ T_\textit{Old}}{ T_\textit{New}}
346                = \frac{ T_\textit{Old}}{T_\textit{Max Comp Old} \cdot S +
347                  T_\textit{Max Comm Old}}
348 \end{equation}
349 \begin{figure*}
350   \centering
351   \subfloat[Converted Relation.]{%
352     \includegraphics[width=.4\textwidth]{file.eps}\label{fig:r1}}%
353   \qquad%
354   \subfloat[Real Relation.]{%
355     \includegraphics[width=.4\textwidth]{file3.eps}\label{fig:r2}}
356   \label{fig:rel}
357   \caption{The Energy and Performance Relation}
358 \end{figure*}
359 Then, we can modelize our objective function as finding the maximum distance
360 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the inverse of performance
361 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_en}) over all available scaling factors. This represent
362 the minimum energy consumption with minimum execution time (better performance)
363 at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}). Then our objective function has the
364 following form:
365 \begin{equation}
366   \label{eq:max}
367   \textit{MaxDist} = \max (\overbrace{P^{-1}_\textit{Norm}}^{\text{Maximize}} -
368                            \overbrace{E_\textit{Norm}}^{\text{Minimize}} )
369 \end{equation}
370 Then we can select the optimal scaling factor that satisfy
371 EQ~(\ref{eq:max}).  Our objective function can work with any energy model or
372 static power values stored in a data file. Moreover, this function works in
373 optimal way when the energy curve has a convex form over the available frequency scaling
374 factors as shown in~\cite{15,3,19}. 
375
376 \section{Optimal Scaling Factor for Performance and Energy}
377 \label{sec.optim}
378  Algorithm~\ref{EPSA} compute the optimal scaling factor according to the objective function described above.
379 \begin{algorithm}[tp]
380   \caption{Scaling factor selection algorithm}
381   \label{EPSA}
382   \begin{algorithmic}[1]
383     \State  Initialize the variable $Dist=0$
384     \State Set dynamic and static power values.
385     \State Set $P_{states}$ to the number of available frequencies.
386     \State Set the variable $F_{new}$ to max. frequency,  $F_{new} = F_{max} $
387     \State Set the variable $F_{diff}$ to the difference between two successive frequencies.
388     \For {$i=1$   to   $P_{states} $}
389       \State - $F_{new}=F_{new} - F_{diff} $
390       \State - $S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}$
391       \State - $S_i = S \cdot \frac{T_1}{T_i}= \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}} \cdot \frac{T_1}{T_i} \  for \  i=1,...,N$
392       \State - $E_\textit{Norm} = \frac{P_\textit{dyn} \cdot S_i^{-2} \cdot
393                \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
394                P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_i \cdot N  }{
395               P_\textit{dyn} \cdot \left(T_1+\sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
396               P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot N }$
397       \State -  $P_{NormInv}=T_{old}/T_{new}$ 
398       \If{  $(P_{NormInv}-E_{Norm} > Dist$) }
399         \State $S_{optimal} = S$
400         \State $Dist = P_{NormInv} - E_{Norm}$
401       \EndIf
402     \EndFor
403     \State  Return $S_{optimal}$
404   \end{algorithmic}
405 \end{algorithm}
406
407 The proposed algorithm works online during the execution time of the MPI
408 program. It selects the optimal scaling factor after gathering the computation and communication times 
409 from the program after one iteration. Then the program changes the new frequencies of the CPUs according to the computed scaling factors. This algorithm has small execution time
410 (between 0.00152 $ms$ for 4 nodes to 0.00665 $ms$ for 32 nodes). The algorithm complexity is O(F$\cdot$N), 
411 where F is the number of available frequencies and N is the number of computing nodes.  The algorithm is called just 
412 once during the execution of the program. The DVFS algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the algorithm is called
413 in the MPI program.
414 %\begin{minipage}{\textwidth}
415
416 \begin{algorithm}[tp]
417   \caption{DVFS}
418   \label{dvfs}
419   \begin{algorithmic}[1]
420  \For {$J:=1$ to $Some-Iterations \; $}
421   \State -Computations Section.
422    \State -Communications Section.
423    \If {$(J=1)$} 
424      \State -Gather all times of computation and\par\hspace{13 pt} communication from each node.
425      \State -Call algorithm~\ref{EPSA} with these times.
426      \State -Compute the new frequency from the returned optimal scaling factor.
427      \State -Set the new frequency to the CPU.
428    \EndIf
429 \EndFor
430 \end{algorithmic}
431 \end{algorithm}
432 After obtaining the optimal scaling factor, the program
433 calculates the new frequency $F_i$ for each task proportionally to its time
434 value $T_i$. By substitution of  EQ~(\ref{eq:s}) in EQ~(\ref{eq:si}), we
435 can calculate the new frequency $F_i$ as follows:
436 \begin{equation}
437   \label{eq:fi}
438   F_i = \frac{F_\textit{max} \cdot T_i}{S_\textit{optimal} \cdot T_\textit{max}}
439 \end{equation}
440 According to this equation all the nodes may have the same frequency value if
441 they have balanced workloads, otherwise, they take different frequencies when
442 having imbalanced workloads. Thus, EQ~(\ref{eq:fi}) adapts the frequency of the CPU to the nodes' workloads to maintain performance.
443
444 \section{Experimental Results}
445 \label{sec.expe}
446 Our experiments are executed on the simulator SimGrid/SMPI
447 v3.10. We configure the simulator to use a a homogeneous cluster with one core per
448 node. The
449 detailed characteristics of our platform file are shown in the
450 table~(\ref{table:platform}).
451 Each node in the cluster has 18 frequency values
452 from 2.5 GHz to 800 MHz with 100 MHz difference between each two successive
453 frequencies. The simulated network link is 1 GB Ethernet (TCP/IP). 
454 The backbone of the cluster simulates a high performance switch.
455 \begin{table}[htb]
456   \caption{Platform File Parameters}
457   % title of Table
458   \centering
459   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
460     \hline
461     Max & Min & Backbone & Backbone&Link &Link& Sharing  \\
462     Freq. & Freq. & Bandwidth & Latency & Bandwidth& Latency&Policy  \\ \hline
463     \np{2.5} & \np{800} & \np[GBps]{2.25} &\np[$\mu$s]{0.5}& \np[GBps]{1} & \np[$\mu$s]{50} &Full  \\
464     GHz& MHz&  & & &  &Duplex  \\\hline
465   \end{tabular}
466   \label{table:platform}
467 \end{table}
468 \subsection{Performance Prediction Verification}
469
470 In this section we evaluate the precision of our performance prediction method based on EQ~(\ref{eq:tnew}) by applying it the NAS benchmarks. The NAS programs are executed with the class B option for comparing the
471 real execution time with the predicted execution time. Each program runs offline
472 with all available scaling factors on 8 or 9 nodes (depending on the benchmark) to produce real execution
473 time values. These scaling factors are computed by dividing the maximum
474 frequency by the new one see EQ~(\ref{eq:s}). 
475 \begin{figure*}[t]
476   \centering
477   \includegraphics[width=.4\textwidth]{cg_per.eps}\qquad%
478   \includegraphics[width=.4\textwidth]{mg_pre.eps}
479   \includegraphics[width=.4\textwidth]{bt_pre.eps}\qquad%
480   \includegraphics[width=.4\textwidth]{lu_pre.eps}
481   \caption{Comparing predicted to real execution time}
482   \label{fig:pred}
483 \end{figure*}
484 %see Figure~\ref{fig:pred}
485 In our cluster there are 18 available frequency states for each processor. 
486 This lead to 18 run states for each program. We use seven MPI programs of the
487  NAS parallel benchmarks: CG, MG, EP, FT, BT, LU
488 and SP. Figure~(\ref{fig:pred}) presents plots of the real execution times and the simulated ones. The average normalized errors between the predicted execution time and
489 the real time (SimGrid time) for all programs is between 0.0032 to 0.0133. 
490 \JC{why compute the average error not the max}
491 \subsection{The  experimental results}
492 The proposed algorithm was applied to seven MPI programs of the NAS
493 benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) which were run with three classes (A, B and
494 C). For each instance the benchmarks were executed on a number of processors
495 proportional to the size of the class.  Each class represents the problem size
496 ascending from the class A to C. Additionally, depending on some speed up points
497 for each class we run the classes A, B and C on 4, 8 or 9 and 16 nodes
498 respectively. 
499 Depending on EQ~(\ref{eq:energy}), we measure the energy consumption for all
500 the NAS MPI programs while assuming the power dynamic with the highest frequency is equal to \np[W]{20} and
501 the power static is equal to \np[W]{4} for all experiments. These power values were also
502 used by Rauber and Rünger in~\cite{3}.   The results showed that the algorithm selected
503 different scaling factors for each program depending on the communication
504 features of the program as in the plots~(\ref{fig:nas}). These plots illustrate that
505 there are different distances between the normalized energy and the normalized
506 inverted performance curves, because there are different communication features
507 for each benchmark.  When there are little or not communications, the inverted
508 performance curve is very close to the energy curve. Then the distance between
509 the two curves is very small. This leads to small energy savings. The opposite
510 happens when there are a lot of communication, the distance between the two
511 curves is big.  This leads to more energy savings (e.g. CG and FT), see
512 table~(\ref{table:factors results}). All discovered frequency scaling factors
513 optimize both the energy and the performance simultaneously for all  NAS
514 benchmarks. In table~(\ref{table:factors results}), we record all optimal scaling
515 factors results for each benchmark running class C. These scaling factors give the maximum
516 energy saving percent and the minimum performance degradation percent at the
517 same time from all available scaling factors.
518 \begin{figure*}[t]
519   \centering
520   \includegraphics[width=.33\textwidth]{ep.eps}\hfill%
521   \includegraphics[width=.33\textwidth]{cg.eps}\hfill%
522   \includegraphics[width=.33\textwidth]{sp.eps}
523   \includegraphics[width=.33\textwidth]{lu.eps}\hfill%
524   \includegraphics[width=.33\textwidth]{bt.eps}\hfill%
525   \includegraphics[width=.33\textwidth]{ft.eps}
526   \caption{Optimal scaling factors for The parallel NAS benchmarks}
527   \label{fig:nas}
528 \end{figure*}
529 \begin{table}[htb]
530   \caption{The Scaling Factors Results}
531   % title of Table
532   \centering
533   \begin{tabular}{|l|*{4}{r|}}
534     \hline
535     Program & Optimal & Energy  & Performance&Energy-Perf.\\
536     Name & Scaling Factor& Saving \%&Degradation \% &Distance  \\ \hline
537     CG & 1.56 &39.23&14.88 &24.35\\ \hline
538     MG & 1.47 &34.97&21.70 &13.27 \\ \hline
539     EP & 1.04 &22.14&20.73 &1.41\\ \hline
540     LU & 1.38 &35.83&22.49 &13.34\\ \hline
541     BT & 1.31 &29.60&21.28 &8.32\\ \hline
542     SP & 1.38 &33.48&21.36 &12.12\\ \hline
543     FT & 1.47 &34.72&19.00 &15.72\\ \hline
544   \end{tabular} 
545   \label{table:factors results}
546   % is used to refer this table in the text
547 \end{table}
548 As shown in the table~(\ref{table:factors results}), when the optimal scaling
549 factor has big value we can gain more energy savings for example as in CG and
550 FT. The opposite happens when the optimal scaling factor is small value as
551 example BT and EP. Our algorithm selects big scaling factor value when the
552 communication and the other slacks times are big and smaller ones in opposite
553 cases. In EP there are no communications inside the iterations. This make our
554 EPSA to selects smaller scaling factor values (inducing smaller energy savings).
555
556 \subsection{Comparing Results}
557
558 In this section, we compare our scaling factor selection method with Rauber and Rünger
559 methods~\cite{3}. They had two scenarios, the first is to reduce energy to the
560 optimal level without considering the performance as in EQ~(\ref{eq:sopt}). We
561 refer to this scenario as $R_{E}$. The second scenario is similar to the first
562 except setting the slower task to the maximum frequency (when the scale $S=1$)
563 to keep the performance from degradation as mush as possible. We refer to this
564 scenario as $R_{E-P}$. The comparison is made in tables~(\ref{table:compare
565   Class A},\ref{table:compare Class B},\ref{table:compare Class C}). These
566 tables show the results of our method and Rauber and Rünger scenarios for all the
567 NAS benchmarks programs for classes A,B and C.
568 \begin{table}[p]
569   \caption{Comparing Results for  The NAS Class A}
570   % title of Table
571   \centering
572   \begin{tabular}{|l|l|*{4}{r|}}
573     \hline
574     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
575     Name &Name&Value& Saving \%&Degradation \% &Distance
576     \\ \hline
577     % \rowcolor[gray]{0.85}
578     $EPSA$&CG & 1.56 &37.02 & 13.88 & 23.14\\ \hline
579     $R_{E-P}$&CG &2.14 &42.77 & 25.27 & 17.50\\ \hline
580     $R_{E}$&CG &2.14 &42.77&26.46&16.31\\ \hline
581
582     $EPSA$&MG & 1.47 &27.66&16.82&10.84\\ \hline
583     $R_{E-P}$&MG &2.14&34.45&31.84&2.61\\ \hline
584     $R_{E}$&MG &2.14&34.48&33.65&0.80 \\ \hline
585
586     $EPSA$&EP &1.19 &25.32&20.79&4.53\\ \hline
587     $R_{E-P}$&EP&2.05&41.45&55.67&-14.22\\ \hline
588     $R_{E}$&EP&2.05&42.09&57.59&-15.50\\ \hline
589
590     $EPSA$&LU&1.56& 39.55 &19.38& 20.17\\ \hline
591     $R_{E-P}$&LU&2.14&45.62&27.00&18.62 \\ \hline
592     $R_{E}$&LU&2.14&45.66&33.01&12.65\\ \hline
593
594     $EPSA$&BT&1.31& 29.60&20.53&9.07 \\ \hline
595     $R_{E-P}$&BT&2.10&45.53&49.63&-4.10\\ \hline
596     $R_{E}$&BT&2.10&43.93&52.86&-8.93\\ \hline
597
598     $EPSA$&SP&1.38& 33.51&15.65&17.86 \\ \hline
599     $R_{E-P}$&SP&2.11&45.62&42.52&3.10\\ \hline
600     $R_{E}$&SP&2.11&45.78&43.09&2.69\\ \hline
601
602     $EPSA$&FT&1.25&25.00&10.80&14.20 \\ \hline
603     $R_{E-P}$&FT&2.10&39.29&34.30&4.99 \\ \hline
604     $R_{E}$&FT&2.10&37.56&38.21&-0.65\\ \hline
605   \end{tabular}
606   \label{table:compareA}
607   % is used to refer this table in the text
608 \end{table}
609 \begin{table}[p]
610   \caption{Comparing Results for The NAS Class B}
611   % title of Table
612   \centering
613   \begin{tabular}{|l|l|*{4}{r|}}
614     \hline
615     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
616     Name &Name&Value& Saving \%&Degradation \% &Distance
617     \\ \hline
618     % \rowcolor[gray]{0.85}
619     $EPSA$&CG & 1.66 &39.23&16.63&22.60   \\ \hline
620     $R_{E-P}$&CG &2.15 &45.34&27.60&17.74\\ \hline
621     $R_{E}$&CG &2.15 &45.34&28.88&16.46\\ \hline
622
623     $EPSA$ &MG & 1.47 &34.98&18.35&16.63\\ \hline
624     $R_{E-P}$&MG &2.14&43.55&36.42&7.13 \\ \hline
625     $R_{E}$&MG &2.14&43.56&37.07&6.49 \\ \hline
626
627     $EPSA$&EP &1.08 &20.29&17.15&3.14 \\ \hline
628     $R_{E-P}$&EP&2.00&42.38&56.88&-14.50\\ \hline
629     $R_{E}$&EP&2.00&39.73&59.94&-20.21\\ \hline
630
631     $EPSA$&LU&1.47&38.57&21.34&17.23 \\ \hline
632     $R_{E-P}$&LU&2.10&43.62&36.51&7.11 \\ \hline
633     $R_{E}$&LU&2.10&43.61&38.54&5.07 \\ \hline
634
635     $EPSA$&BT&1.31& 29.59&20.88&8.71\\ \hline
636     $R_{E-P}$&BT&2.10&44.53&53.05&-8.52\\ \hline
637     $R_{E}$&BT&2.10&42.93&52.80&-9.87\\ \hline
638
639     $EPSA$&SP&1.38&33.44&19.24&14.20 \\ \hline
640     $R_{E-P}$&SP&2.15&45.69&43.20&2.49\\ \hline
641     $R_{E}$&SP&2.15&45.41&44.47&0.94\\ \hline
642
643     $EPSA$&FT&1.38&34.40&14.57&19.83 \\ \hline
644     $R_{E-P}$&FT&2.13&42.98&37.35&5.63 \\ \hline
645     $R_{E}$&FT&2.13&43.04&37.90&5.14\\ \hline
646   \end{tabular}
647   \label{table:compareB}
648   % is used to refer this table in the text
649 \end{table}
650
651 \begin{table}[p]
652   \caption{Comparing Results for The NAS Class C}
653   % title of Table
654   \centering
655   \begin{tabular}{|l|l|*{4}{r|}}
656     \hline
657     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
658     Name &Name&Value& Saving \%&Degradation \% &Distance
659     \\ \hline
660     % \rowcolor[gray]{0.85}
661     $EPSA$&CG & 1.56 &39.23&14.88&24.35  \\ \hline
662     $R_{E-P}$&CG &2.15 &45.36&25.89&19.47\\ \hline
663     $R_{E}$&CG &2.15 &45.36&26.70&18.66\\ \hline
664
665     $EPSA$&MG & 1.47 &34.97&21.69&13.27\\ \hline
666     $R_{E-P}$&MG &2.15&43.65&40.45&3.20 \\ \hline
667     $R_{E}$&MG &2.15&43.64&41.38&2.26 \\ \hline
668
669     $EPSA$&EP &1.04 &22.14&20.73&1.41 \\ \hline
670     $R_{E-P}$&EP&1.92&39.40&56.33&-16.93\\ \hline
671     $R_{E}$&EP&1.92&38.10&56.35&-18.25\\ \hline
672
673     $EPSA$&LU&1.38&35.83&22.49&13.34 \\ \hline
674     $R_{E-P}$&LU&2.15&44.97&41.00&3.97 \\ \hline
675     $R_{E}$&LU&2.15&44.97&41.80&3.17 \\ \hline
676
677     $EPSA$&BT&1.31& 29.60&21.28&8.32\\ \hline
678     $R_{E-P}$&BT&2.13&45.60&49.84&-4.24\\ \hline
679     $R_{E}$&BT&2.13&44.90&55.16&-10.26\\ \hline
680
681     $EPSA$&SP&1.38&33.48&21.35&12.12\\ \hline
682     $R_{E-P}$&SP&2.10&45.69&43.60&2.09\\ \hline
683     $R_{E}$&SP&2.10&45.75&44.10&1.65\\ \hline
684
685     $EPSA$&FT&1.47&34.72&19.00&15.72 \\ \hline
686     $R_{E-P}$&FT&2.04&39.40&37.10&2.30\\ \hline
687     $R_{E}$&FT&2.04&39.35&37.70&1.65\\ \hline
688   \end{tabular}
689 \label{table:compareC}
690 % is used to refer this table in the text
691 \end{table}
692 As shown in tables~\ref{table:compareA},~\ref{table:compareB} and~\ref{table:compareC}, the ($R_{E-P}$) method outperforms the ($R_{E}$) method in terms of performance and energy reduction. The ($R_{E-P}$) method also gives better energy savings than our method. However, although our scaling factor is not optimal for energy reduction, the results in these tables prove that our algorithm returns the best scaling factor that satisfy our objective method : the largest distance between energy reduction and performance degradation. 
693
694 Figure~(\ref{fig:compare}) shows the maximum distance between the energy saving
695 percent and the performance degradation percent.  
696 Negative values mean that one of the two objectives (energy or performance) have been degraded more than the other. The positive tradeoffs with the highest values lead to maximum energy savings
697 while keeping the performance degradation as low as possible. Our algorithm always
698 gives the highest positive energy to performance tradeoffs while Rauber and Rünger method
699 ($R_{E-P}$) gives in some time negative tradeoffs such as in BT and
700 EP.
701 \begin{figure}[t]
702   \centering
703   \includegraphics[width=.33\textwidth]{compare_class_A.pdf}
704   \includegraphics[width=.33\textwidth]{compare_class_B.pdf}
705   \includegraphics[width=.33\textwidth]{compare_class_c.pdf}
706   \caption{Comparing our method to Rauber and Rünger Methods}
707   \label{fig:compare}
708 \end{figure}
709 \section{Conclusion}
710 \label{sec.concl}
711 In this paper, we have presented a new online scaling factor selection method that optimizes simultaneously the energy and performance of a distributed application running on an homogeneous cluster. It uses the computation and communication times measured at the first iteration to predict energy consumption and the performance of the parallel application at every available frequency. Then, it selects the scaling factor that gives the best tradeoff between energy reduction and performance which is the maximum distance between the energy and the inverted performance curves. To evaluate this method, we have applied it to the NAS benchmarks and it was compared to Rauber's methods while being executed on the simulator SimGrid. The results showed that our method, outperforms Rauber's methods in terms of energy-performance ratio. 
712
713 In the near future, we would like to adapt this scaling factor selection method to heterogeneous platforms where each node has different characteristics. In particular, each CPU has different available frequencies, energy consumption and performance. It would be also interesting to develop a new energy model for asynchronous parallel iterative methods where the number of iterations is not known in advance and depends on the global convergence of the iterative system.
714
715
716 \section*{Acknowledgment}
717 As a PhD student, M. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
718 Babylon (Iraq) for supporting his work.
719
720 \JC{delete the online paths for each reference}
721 % trigger a \newpage just before the given reference
722 % number - used to balance the columns on the last page
723 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
724 % the document is modified later
725 %\IEEEtriggeratref{15}
726
727 \bibliographystyle{IEEEtran}
728 \bibliography{IEEEabrv,my_reference}
729 \end{document}
730
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738 %  LocalWords:  Fanfakh Charr FIXME Tianhe DVFS HPC NAS NPB SMPI Rauber's Rauber
739 %  LocalWords:  CMOS EQ EPSA Franche Comté Tflop Rünger