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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 <<<<<<< HEAD
36     IUT de Belfort-Montb\'{e}liard, Rue Engel Gros, BP 27, 90016 Belfort, France\\
37    Fax  : (+33)~3~84~58~77~32\\
38    Email: \{jean-claude.charr, raphael.couturier, ahmed.fanfakh, arnaud.giersch\}@univ-fcomte.fr
39 =======
40     IUT de Belfort-Montbéliard, 19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
41     Fax  : +33~3~84~58~77~32\\
42     Email: \{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh\_badri\_muslim,arnaud.giersch\}@univ-fcomte.fr
43 >>>>>>> a61f50d29efe27025514a6a5e34444845de7fe9b
44    }
45   }
46
47 \maketitle
48
49 <<<<<<< HEAD
50 =======
51 \AG{Is the fax number correct? Shall we add a telephone number?}
52 \JC{Use Capital letters for only the first letter in the title of a section, table, figure, ...} 
53 >>>>>>> a61f50d29efe27025514a6a5e34444845de7fe9b
54 \begin{abstract}
55   Dynamic Voltage Frequency Scaling (DVFS) can be applied to modern CPUs. 
56 This technique is usually used to reduce the energy consumed by a CPU while
57 computing . Indeed, power consumption by a processor at a given instant is
58 exponentially related to its frequency. Thus, decreasing the frequency reduces
59 the power consumed by the CPU. However, it can also significantly affect the
60 performance of the executed program if it is compute bound and a low CPU
61 frequency is selected. The performance degradation ratio can even be higher than
62 the saved energy ratio. Therefore, the chosen scaling factor must give the best possible tradeoff
63 between energy reduction and performance. 
64
65 In this paper we present an algorithm
66 that predicts the energy consumed with each frequency gear and selects the one that
67 gives the best ratio between energy consumption reduction and performance.
68 This algorithm works online without training or profiling and
69 has a very small overhead. It also takes into account synchronous communications between the nodes
70 that are executing the distributed algorithm. The algorithm has been evaluated over the SimGrid simulator
71 while being applied to the NAS parallel benchmark programs. The results of the experiments show that it outperforms other existing scaling factor selection algorithms.
72 \end{abstract}
73
74 \section{Introduction}
75 \label{sec.intro}
76
77 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
78 down in the coming years. To satisfy this demand, researchers and supercomputers
79 constructors have been regularly increasing the number of computing cores and processors in
80 supercomputers (for example in November 2013, according to the TOP500
81 list~\cite{43}, the Tianhe-2 was the fastest supercomputer. It has more than 3
82 millions of cores and delivers more than 33 Tflop/s while consuming 17808
83 kW). This large increase in number of computing cores has led to large energy
84 consumption by these architectures. Moreover, the price of energy is expected to
85 continue its ascent according to the demand. For all these reasons energy
86 reduction became an important topic in the high performance computing field. To
87 tackle this problem, many researchers used DVFS (Dynamic Voltage Frequency
88 Scaling) operations which reduce dynamically the frequency and voltage of cores
89 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
90 performance of computation. Therefore researchers try to reduce the frequency to
91 minimum when processors are idle (waiting for data from other processors or
92 communicating with other processors). Moreover, depending on their objectives
93 they use heuristics to find the best scaling factor during the computation. If
94 they aim for performance they choose the best scaling factor that reduces the
95 consumed energy while affecting as little as possible the performance. On the
96 other hand, if they aim for energy reduction, the chosen scaling factor must
97 produce the most energy efficient execution without considering the degradation
98 of the performance. It is important to notice that lowering the frequency to
99 minimum value does not always give the most energy efficient execution due to energy
100 leakage. The best scaling factor might be chosen during execution (online) or
101 during a pre-execution phase.  In this paper, we present an
102 algorithm that selects a frequency scaling factor that simultaneously takes into
103 consideration  the energy consumption by the CPU and the performance of the application. The
104 main objective of HPC systems is to execute as fast as possible the application. 
105 Therefore, our algorithm selects the scaling factor online with
106 very small footprint. The proposed algorithm takes into account the
107 communication times of the MPI program to choose the scaling factor. This
108 algorithm has ability to predict both energy consumption and execution time over
109 all available scaling factors.  The prediction achieved depends on some
110 computing time information, gathered at the beginning of the runtime.  We apply
111 this algorithm to seven MPI benchmarks. These MPI programs are the NAS parallel
112 benchmarks (NPB v3.3) developed by NASA~\cite{44}. Our experiments are executed
113 using the simulator SimGrid/SMPI v3.10~\cite{Casanova:2008:SGF:1397760.1398183}
114 over an homogeneous distributed memory architecture. Furthermore, we compare the
115 proposed algorithm with Rauber and Rünger methods~\cite{3}.
116 The comparison's results show that our algorithm gives better energy-time tradeoff.
117
118 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents related works
119 from other authors.  Section~\ref{sec.exe} shows the execution of parallel
120 tasks and sources of idle times.  It resumes the energy
121 model of homogeneous platform. Section~\ref{sec.mpip} evaluates the performance
122 of MPI program.  Section~\ref{sec.compet} presents the energy-performance tradeoffs
123 objective function. Section~\ref{sec.optim} demonstrates the proposed energy-performance algorithm. Section~\ref{sec.expe} verifies the performance prediction
124 model and presents the results of the proposed algorithm.  Also, It shows the comparison results. Finally,
125 we conclude in Section~\ref{sec.concl}.
126 \section{Related works}
127 \label{sec.relwork}
128
129 \AG{Consider introducing the models (sec.~\ref{sec.exe}) before related works}
130
131 In this section, some heuristics to compute the scaling factor are
132 presented and classified into two categories: offline and online methods.
133
134 \subsection{Offline scaling factor selection methods}
135
136 The offline scaling factor selection methods are executed before the runtime of
137 the program. They return static scaling factor values to the processors
138 participating in the execution of the parallel program. On one hand, the scaling
139 factor
140 values could be computed based on information retrieved by analyzing the code of
141 the program and the computing system that will execute it. In ~\cite{40},
142 Azevedo et
143 al. detect during compilation the dependency points between  
144 tasks in a parallel program. This information is then used to lower the frequency of
145 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
146 for a set of processors to finish their computations and send their results to the
147 waiting processor in order to continue its task that is
148 dependent on the results of computations being executed on other processors.
149 Freeh et al. showed in ~\cite{17} that the 
150 communication times of MPI programs do not change when the frequency is scaled down.
151 On the other hand, some offline scaling factor selection methods use the
152 information gathered from previous full or
153 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.  
154    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
155 algorithm, while in~\cite{38,34}, Cochran et al. use multi logistic regression algorithm for the same goal. 
156 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. 
157
158 \subsection{Online scaling factor selection methods}
159 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
160 communication sections and changes the frequency during these sections
161 only. This approach might change the frequency of each processor many times per iteration if an iteration
162 contains more than one communication section. In ~\cite{3}, Rauber and Rünger 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. 
163 To maintain the performance of the parallel program , they
164 set the  processor with the biggest load to the highest gear and then compute the scaling  factor values for the rest of the processors. Although this model was built for parallel architectures, it can be adapted  to distributed architectures by taking into account the communications. 
165 The primary contribution of this paper is presenting a new online scaling factor selection method which has the following characteristics :
166 \begin{enumerate}
167 \item Based on Rauber's analytical model to predict the energy consumption and the execution time of the application with different frequency gears. 
168 \item Selects the frequency scaling factor for simultaneously optimizing energy reduction and maintaining performance.
169 \item Well adapted to distributed architectures because it takes into account the communication time.
170 \item Well adapted to distributed applications with imbalanced tasks.
171 \item Has very small footprint when compared to other
172   methods (e.g.,~\cite{19}) and does not require profiling or training as
173   in~\cite{38,34}.
174 \end{enumerate}
175
176
177 \section{Execution and energy of parallel tasks on homogeneous platform} 
178 \label{sec.exe}
179 <<<<<<< HEAD
180 %\AG{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}
181 \subsection{Parallel tasks execution on homogeneous platform}
182 =======
183 \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}
184 \subsection{Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform}
185 >>>>>>> a61f50d29efe27025514a6a5e34444845de7fe9b
186 A homogeneous cluster consists of identical nodes in terms of hardware and software. 
187 Each node has its own memory and at least one processor which can
188 be a multi-core. The nodes are connected via a high bandwidth network. Tasks
189 executed on this model can be either synchronous or asynchronous. In this paper
190 we consider execution of the synchronous tasks on distributed homogeneous
191 platform. These tasks can exchange the data via synchronous message passing.
192 \begin{figure*}[t]
193   \centering
194   \subfloat[Sync. imbalanced communications]{\includegraphics[scale=0.67]{commtasks}\label{fig:h1}}
195   \subfloat[Sync. imbalanced computations]{\includegraphics[scale=0.67]{compt}\label{fig:h2}}
196   \caption{Parallel tasks on homogeneous platform}
197   \label{fig:homo}
198 \end{figure*}
199 Therefore, the execution time of a task consists of the computation time and the
200 communication time. Moreover, the synchronous communications between tasks can
201 lead to slack times while tasks wait at the synchronization barrier for other tasks to
202 finish their tasks (see figure~(\ref{fig:h1})). The imbalanced communications 
203 happen when nodes have to send/receive different amount of data or they communicate
204 with different number of nodes. Another source of idle times is the imbalanced computations.  
205 This happens when processing different amounts of data on each processor  (see figure~(\ref{fig:h2})).  
206 In this case the fastest tasks have to wait at the synchronization barrier for the 
207 slowest ones to begin the next task. In both cases the overall execution time 
208 of the program is the execution time of the slowest task as in EQ~(\ref{eq:T1}).
209 \begin{equation}
210   \label{eq:T1}
211   \textit{Program Time} = \max_{i=1,2,\dots,N} T_i
212 \end{equation}
213 where $T_i$ is the execution time of task $i$ and all the tasks are executed concurrently on different processors.
214
215 \subsection{Energy model for homogeneous platform}
216
217 Many researchers~\cite{9,3,15,26} divide the power consumed by a processor to two power metrics: the
218  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
219 $P_{dyn}$  is related to the switching activity $\alpha$, load capacitance $C_L$,
220 the supply voltage $V$ and operational frequency $f$, as shown in EQ~(\ref{eq:pd}).
221 \begin{equation}
222   \label{eq:pd}
223   P_\textit{dyn} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot f
224 \end{equation}
225 The static power $P_{static}$ captures the leakage power as follows:
226 \begin{equation}
227   \label{eq:ps}
228    P_\textit{static}  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
229 \end{equation}
230 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors, $K_{design}$ is a
231 design dependent parameter and $I_{leak}$ is a technology-dependent
232 parameter. Energy consumed by an individual processor $E_{ind}$ is the summation
233 of the dynamic and the static powers multiplied by the execution time~\cite{36,15}.
234 \begin{equation}
235   \label{eq:eind}
236    E_\textit{ind} = ( P_\textit{dyn} + P_\textit{static} ) \cdot T
237 \end{equation}
238 DVFS is a process that is allowed in
239 modern processors to reduce the dynamic power by scaling down the voltage and
240 frequency. Its main objective is to reduce the overall energy
241 consumption~\cite{37}. The operational frequency \emph f depends linearly on the
242 supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot f$ with some constant $\beta$. This
243 equation is used to study the change of the dynamic voltage with respect to
244 various frequency values in~\cite{3}. The reduction process of the frequency can be
245 expressed by the scaling factor \emph S which is the ratio between the
246 maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
247 \begin{equation}
248   \label{eq:s}
249  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
250 \end{equation}
251 The value of the scaling factor $S$ is greater than 1 when changing the frequency of the CPU to any
252 new frequency value~(\emph {P-state}) in the governor. The CPU governor is an
253 interface driver supplied by the operating system's kernel to
254 lower a core's frequency.  This factor reduces
255 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
256 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}).
257
258 <<<<<<< HEAD
259 =======
260 \JC{Are you sure of the following equation}
261 >>>>>>> a61f50d29efe27025514a6a5e34444845de7fe9b
262 \begin{equation}
263   \label{eq:energy}
264   E = P_\textit{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
265     \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^2} \right) +
266     P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N
267  \hfill
268 \end{equation}
269 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
270 the time values $T_i$.  The scaling factors are computed as in EQ~(\ref{eq:si}).
271 <<<<<<< HEAD
272 =======
273 \JC{This equation does not make sense either, what's S? there is no F}
274 >>>>>>> a61f50d29efe27025514a6a5e34444845de7fe9b
275 \begin{equation}
276   \label{eq:si}
277   S_i = S \cdot \frac{T_1}{T_i}
278       = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}} \cdot \frac{T_1}{T_i}
279 \end{equation}
280 <<<<<<< HEAD
281 In this paper we depend on
282 =======
283 \JC{The Rauber model was used for a parallel machine not a homogeneous platform}
284 where $F$ is the number of available frequencies. In this paper we depend on
285 >>>>>>> a61f50d29efe27025514a6a5e34444845de7fe9b
286 Rauber and Rünger energy model EQ~(\ref{eq:energy}) for two reasons: (1) this
287 model is used for any number of concurrent tasks, and (2) we
288 compare our algorithm with Rauber and Rünger scaling factor selection method which is based on
289 EQ~(\ref{eq:energy}). The optimal scaling factor is computed by minimizing the derivation for this equation which produces EQ~(\ref{eq:sopt}).
290 <<<<<<< HEAD
291 =======
292 \JC{what's the small n in the equation}
293 >>>>>>> a61f50d29efe27025514a6a5e34444845de7fe9b
294
295 \begin{equation}
296   \label{eq:sopt}
297   S_\textit{opt} = \sqrt[3]{\frac{2}{N} \cdot \frac{P_\textit{dyn}}{P_\textit{static}} \cdot
298     \left( 1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^3} \right) }
299 \end{equation}
300
301 \JC{The following 2 sections can be merged easily}
302
303 \section{Performance evaluation of MPI programs}
304 \label{sec.mpip}
305
306 The performance (execution time) of  parallel synchronous MPI applications depend on
307 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
308 execution time of a parallel program is linearly proportional to the operational
309 frequency and  any DVFS operation for  energy reduction increases the
310 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
311 communications the processors involved remain idle until the communications are
312 finished. For that reason any change in the frequency has no impact on the time
313 of communication~\cite{17}. The
314 communication time for a task is the summation of  periods of time that  begin with an MPI call for
315 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 
316 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 
317 the new scaling factor as in EQ~(\ref{eq:tnew}).
318 \begin{equation}
319   \label{eq:tnew}
320  \textit  T_\textit{new} = T_\textit{Max Comp Old} \cdot S + T_{\textit{Max Comm Old}}
321 \end{equation}
322  In this paper, this prediction method is used to select the best scaling factor for each processor as presented in the next section.
323
324 \section{Performance to energy competition}
325 \label{sec.compet}
326
327 This section demonstrates our approach for choosing the optimal scaling
328 factor. This factor gives maximum energy reduction taking into account the
329 execution times for both computation and communication. The relation
330 between the energy and the performance is nonlinear and complex, because the
331 relation of the energy with scaling factor is nonlinear and with the performance
332 it is linear see~\cite{17}.  Moreover, they are not measured using the same metric.
333 For solving this problem, we normalize the energy by calculating the ratio
334 between the consumed energy with scaled frequency and the consumed energy
335 without scaled frequency:
336 \begin{multline}
337   \label{eq:enorm}
338   E_\textit{Norm} = \frac{ E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
339         {} = \frac{P_\textit{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
340                \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
341                P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N  }{
342               P_\textit{dyn} \cdot \left(T_1+\sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
343               P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot N }
344 \end{multline}
345 By the same way we can normalize the performance as follows:
346 \begin{equation}
347   \label{eq:pnorm}
348   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}
349           = \frac{T_\textit{Max Comp Old} \cdot S +
350            T_\textit{Max Comm Old}}{T_\textit{Max Comp Old} +
351            T_\textit{Max Comm Old}}
352 \end{equation}
353 The second problem is that the optimization operation for both energy and performance
354 is not in the same direction. In other words, the normalized energy and the
355 performance curves are not in the same direction see figure~(\ref{fig:r2}).
356 While the main goal is to optimize the energy and performance in the same
357 time. According to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the
358 scaling factor \emph S reduce both the energy and the performance
359 simultaneously. But the main objective is to produce maximum energy reduction
360 with minimum performance reduction. Many researchers used different strategies
361 to solve this nonlinear problem for example see~\cite{19,42}, their methods add
362 big overhead to the algorithm for selecting the suitable frequency. In this
363 paper we present a method to find the optimal scaling factor \emph S for
364 optimizing both energy and performance simultaneously without adding big
365 overheads.  Our solution for this problem is to make the optimization process
366 have the same direction. Therefore, we inverse the equation of normalize
367 performance as follows:
368 \begin{equation}
369   \label{eq:pnorm_en}
370   P^{-1}_\textit{Norm} = \frac{ T_\textit{Old}}{ T_\textit{New}}
371                = \frac{ T_\textit{Old}}{T_\textit{Max Comp Old} \cdot S +
372                  T_\textit{Max Comm Old}}
373 \end{equation}
374 \begin{figure*}
375   \centering
376   \subfloat[Converted relation.]{%
377     \includegraphics[width=.4\textwidth]{file.eps}\label{fig:r1}}%
378   \qquad%
379   \subfloat[Real relation.]{%
380     \includegraphics[width=.4\textwidth]{file3.eps}\label{fig:r2}}
381   \label{fig:rel}
382   \caption{The energy and performance relation}
383 \end{figure*}
384 Then, we can modelize our objective function as finding the maximum distance
385 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the inverse of performance
386 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_en}) over all available scaling factors. This represent
387 the minimum energy consumption with minimum execution time (better performance)
388 at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}). Then our objective function has the
389 following form:
390 \begin{equation}
391   \label{eq:max}
392  Max Dist = \max_{j=1,2,\dots,F} (\overbrace{P^{-1}_\textit{Norm}(S_j)}^{\text{Maximize}} -
393                         \overbrace{E_\textit{Norm}(S_j)}^{\text{Minimize}} )
394 \end{equation}
395 where F is the number of available frequencies. Then we can select the optimal scaling factor that satisfy
396 EQ~(\ref{eq:max}).  Our objective function can work with any energy model or
397 static power values stored in a data file. Moreover, this function works in
398 optimal way when the energy curve has a convex form over the available frequency scaling
399 factors as shown in~\cite{15,3,19}. 
400
401 \section{Optimal scaling factor for performance and energy}
402 \label{sec.optim}
403  Algorithm~\ref{EPSA} compute the optimal scaling factor according to the objective function described above.
404 \begin{algorithm}[tp]
405   \caption{Scaling factor selection algorithm}
406   \label{EPSA}
407   \begin{algorithmic}[1]
408     \State  Initialize the variable $Dist=0$
409     \State Set dynamic and static power values.
410     \State Set $P_{states}$ to the number of available frequencies.
411     \State Set the variable $F_{new}$ to max. frequency,  $F_{new} = F_{max} $
412     \State Set the variable $F_{diff}$ to the difference between two successive frequencies.
413     \For {$j:=1$   to   $P_{states} $}
414       \State - $F_{new}=F_{new} - F_{diff} $
415       \State - $S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}$
416       \State - $S_i = S \cdot \frac{T_1}{T_i}= \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}} \cdot \frac{T_1}{T_i} \                   
417        for \  i=1,...,N$
418       \State - $E_\textit{Norm} = \frac{P_\textit{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
419                \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
420                P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N  }{
421               P_\textit{dyn} \cdot \left(T_1+\sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
422               P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot N }$
423       \State -  $P_{NormInv}=T_{old}/T_{new}$ 
424       \If{  $(P_{NormInv}-E_{Norm} > Dist$) }
425         \State $S_{opt} = S$
426         \State $Dist = P_{NormInv} - E_{Norm}$
427       \EndIf
428     \EndFor
429     \State  Return $S_{opt}$
430   \end{algorithmic}
431 \end{algorithm}
432
433 The proposed algorithm works online during the execution time of the MPI
434 program. It selects the optimal scaling factor after gathering the computation and communication times 
435 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
436 (between 0.00152 $ms$ for 4 nodes to 0.00665 $ms$ for 32 nodes). The algorithm complexity is O(F$\cdot$N), 
437 where F is the number of available frequencies and N is the number of computing nodes.  The algorithm is called just 
438 once during the execution of the program. The DVFS algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the algorithm is called
439 in the MPI program.
440 %\begin{minipage}{\textwidth}
441
442 \begin{algorithm}[tp]
443   \caption{DVFS}
444   \label{dvfs}
445   \begin{algorithmic}[1]
446  \For {$k:=1$ to $Some-Iterations \; $}
447   \State -Computations Section.
448    \State -Communications Section.
449    \If {$(k=1)$} 
450      \State -Gather all times of computation and\par\hspace{13 pt} communication from each node.
451      \State -Call algorithm~\ref{EPSA} with these times.
452      \State -Compute the new frequency from the \par\hspace{13 pt} returned optimal scaling factor.
453      \State -Set the new frequency to the CPU.
454    \EndIf
455 \EndFor
456 \end{algorithmic}
457 \end{algorithm}
458 After obtaining the optimal scaling factor, the program
459 calculates the new frequency $F_i$ for each task proportionally to its time
460 value $T_i$. By substitution of  EQ~(\ref{eq:s}) in EQ~(\ref{eq:si}), we
461 can calculate the new frequency $F_i$ as follows:
462 \begin{equation}
463   \label{eq:fi}
464   F_i = \frac{F_\textit{max} \cdot T_i}{S_\textit{optimal} \cdot T_\textit{max}}
465 \end{equation}
466 According to this equation all the nodes may have the same frequency value if
467 they have balanced workloads, otherwise, they take different frequencies when
468 having imbalanced workloads. Thus, EQ~(\ref{eq:fi}) adapts the frequency of the CPU to the nodes' workloads to maintain performance.
469
470 \section{Experimental results}
471 \label{sec.expe}
472 Our experiments are executed on the simulator SimGrid/SMPI
473 v3.10. We configure the simulator to use a homogeneous cluster with one core per
474 node. The
475 detailed characteristics of our platform file are shown in the
476 table~(\ref{table:platform}).
477 Each node in the cluster has 18 frequency values
478 from 2.5 GHz to 800 MHz with 100 MHz difference between each two successive
479 frequencies. The simulated network link is 1 GB Ethernet (TCP/IP). 
480 The backbone of the cluster simulates a high performance switch.
481 \begin{table}[htb]
482   \caption{Platform file parameters}
483   % title of Table
484   \centering
485   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
486     \hline
487     Max & Min & Backbone & Backbone&Link &Link& Sharing  \\
488     Freq. & Freq. & Bandwidth & Latency & Bandwidth& Latency&Policy  \\ \hline
489     \np{2.5} & \np{800} & \np[GBps]{2.25} &\np[$\mu$s]{0.5}& \np[GBps]{1} & \np[$\mu$s]{50} &Full  \\
490     GHz& MHz&  & & &  &Duplex  \\\hline
491   \end{tabular}
492   \label{table:platform}
493 \end{table}
494 \subsection{Performance prediction verification}
495
496 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
497 real execution time with the predicted execution time. Each program runs offline
498 with all available scaling factors on 8 or 9 nodes (depending on the benchmark) to produce real execution
499 time values. These scaling factors are computed by dividing the maximum
500 frequency by the new one see EQ~(\ref{eq:s}). 
501 \begin{figure*}[t]
502   \centering
503   \includegraphics[width=.328\textwidth]{cg_per.eps}\hfill%
504   \includegraphics[width=.328\textwidth]{mg_pre.eps}\hfill%
505  % \includegraphics[width=.4\textwidth]{bt_pre.eps}\qquad%
506   \includegraphics[width=.328\textwidth]{lu_pre.eps}\hfill%
507   \caption{Comparing predicted to real execution time}
508   \label{fig:pred}
509 \end{figure*}
510 %see Figure~\ref{fig:pred}
511 In our cluster there are 18 available frequency states for each processor. 
512 This lead to 18 run states for each program. We use seven MPI programs of the
513  NAS parallel benchmarks: CG, MG, EP, FT, BT, LU
514 <<<<<<< HEAD
515 and SP. Figure~(\ref{fig:pred}) presents plots of the real execution times and the simulated ones. The maximum normalized error between the predicted execution time and the real time (SimGrid time) for all programs is between 0.0073 to 0.031. The  better case is for CG and the worse case is for LU. 
516 \subsection{The experimental results for the scaling algorithm }
517 =======
518 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
519 the real time (SimGrid time) for all programs is between 0.0032 to 0.0133. 
520 \JC{why compute the average error not the max}
521 \subsection{The  experimental results}
522 >>>>>>> a61f50d29efe27025514a6a5e34444845de7fe9b
523 The proposed algorithm was applied to seven MPI programs of the NAS
524 benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) which were run with three classes (A, B and
525 C). For each instance the benchmarks were executed on a number of processors
526 proportional to the size of the class.  Each class represents the problem size
527 ascending from the class A to C. Additionally, depending on some speed up points
528 for each class we run the classes A, B and C on 4, 8 or 9 and 16 nodes
529 respectively. 
530 Depending on EQ~(\ref{eq:energy}), we measure the energy consumption for all
531 the NAS MPI programs while assuming the power dynamic with the highest frequency is equal to \np[W]{20} and
532 the power static is equal to \np[W]{4} for all experiments. These power values were also
533 used by Rauber and Rünger in~\cite{3}.   The results showed that the algorithm selected
534 different scaling factors for each program depending on the communication
535 features of the program as in the plots~(\ref{fig:nas}). These plots illustrate that
536 there are different distances between the normalized energy and the normalized
537 inverted performance curves, because there are different communication features
538 for each benchmark.  When there are little or not communications, the inverted
539 performance curve is very close to the energy curve. Then the distance between
540 the two curves is very small. This leads to small energy savings. The opposite
541 happens when there are a lot of communication, the distance between the two
542 curves is big.  This leads to more energy savings (e.g. CG and FT), see
543 table~(\ref{table:factors results}). All discovered frequency scaling factors
544 optimize both the energy and the performance simultaneously for all  NAS
545 benchmarks. In table~(\ref{table:factors results}), we record all optimal scaling
546 factors results for each benchmark running class C. These scaling factors give the maximum
547 energy saving percent and the minimum performance degradation percent at the
548 same time from all available scaling factors.
549 \begin{figure*}[t]
550   \centering
551   \includegraphics[width=.328\textwidth]{ep.eps}\hfill%
552   \includegraphics[width=.328\textwidth]{cg.eps}\hfill%
553   \includegraphics[width=.328\textwidth]{sp.eps}
554   \includegraphics[width=.328\textwidth]{lu.eps}\hfill%
555   \includegraphics[width=.328\textwidth]{bt.eps}\hfill%
556   \includegraphics[width=.328\textwidth]{ft.eps}
557   \caption{Optimal scaling factors for the predicted energy and performance of NAS benchmarks}
558   \label{fig:nas}
559 \end{figure*}
560 \begin{table}[htb]
561   \caption{The scaling factors results}
562   % title of Table
563   \centering
564   \begin{tabular}{|l|*{4}{r|}}
565     \hline
566     Program & Optimal & Energy  & Performance&Energy-Perf.\\
567     Name & Scaling Factor& Saving \%&Degradation \% &Distance  \\ \hline
568     CG & 1.56 &39.23&14.88 &24.35\\ \hline
569     MG & 1.47 &34.97&21.70 &13.27 \\ \hline
570     EP & 1.04 &22.14&20.73 &1.41\\ \hline
571     LU & 1.38 &35.83&22.49 &13.34\\ \hline
572     BT & 1.31 &29.60&21.28 &8.32\\ \hline
573     SP & 1.38 &33.48&21.36 &12.12\\ \hline
574     FT & 1.47 &34.72&19.00 &15.72\\ \hline
575   \end{tabular} 
576   \label{table:factors results}
577   % is used to refer this table in the text
578 \end{table}
579 As shown in the table~(\ref{table:factors results}), when the optimal scaling
580 factor has big value we can gain more energy savings for example as in CG and
581 FT. The opposite happens when the optimal scaling factor is small value as
582 example BT and EP. Our algorithm selects big scaling factor value when the
583 communication and the other slacks times are big and smaller ones in opposite
584 cases. In EP there are no communications inside the iterations. This make our
585 algorithm to selects smaller scaling factor values (inducing smaller energy savings).
586
587 \subsection{Results comparison}
588
589 In this section, we compare our scaling factor selection method with Rauber and Rünger
590 methods~\cite{3}. They had two scenarios, the first is to reduce energy to the
591 optimal level without considering the performance as in EQ~(\ref{eq:sopt}). We
592 refer to this scenario as $R_{E}$. The second scenario is similar to the first
593 except setting the slower task to the maximum frequency (when the scale $S=1$)
594 to keep the performance from degradation as mush as possible. We refer to this
595 <<<<<<< HEAD
596 scenario as $R_{E-P}$. While we refer to our algorithm as EPSA. The comparison is made in tables~(\ref{table:compareA},\ref{table:compareB},\ref{table:compareC}). These
597 =======
598 scenario as $R_{E-P}$. The comparison is made in tables~(\ref{table:compareA},
599 \ref{table:compareB}, and \ref{table:compareC}). These
600 >>>>>>> a61f50d29efe27025514a6a5e34444845de7fe9b
601 tables show the results of our method and Rauber and Rünger scenarios for all the
602 NAS benchmarks programs for classes A,B and C.
603 \begin{table}[p]
604   \caption{Comparing results for  the NAS class A}
605   % title of Table
606   \centering
607   \begin{tabular}{|l|l|*{4}{r|}}
608     \hline
609     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
610     Name &Name&Value& Saving \%&Degradation \% &Distance
611     \\ \hline
612     % \rowcolor[gray]{0.85}
613     $EPSA$&CG & 1.56 &37.02 & 13.88 & 23.14\\ \hline
614     $R_{E-P}$&CG &2.14 &42.77 & 25.27 & 17.50\\ \hline
615     $R_{E}$&CG &2.14 &42.77&26.46&16.31\\ \hline
616
617     $EPSA$&MG & 1.47 &27.66&16.82&10.84\\ \hline
618     $R_{E-P}$&MG &2.14&34.45&31.84&2.61\\ \hline
619     $R_{E}$&MG &2.14&34.48&33.65&0.80 \\ \hline
620
621     $EPSA$&EP &1.19 &25.32&20.79&4.53\\ \hline
622     $R_{E-P}$&EP&2.05&41.45&55.67&-14.22\\ \hline
623     $R_{E}$&EP&2.05&42.09&57.59&-15.50\\ \hline
624
625     $EPSA$&LU&1.56& 39.55 &19.38& 20.17\\ \hline
626     $R_{E-P}$&LU&2.14&45.62&27.00&18.62 \\ \hline
627     $R_{E}$&LU&2.14&45.66&33.01&12.65\\ \hline
628
629     $EPSA$&BT&1.31& 29.60&20.53&9.07 \\ \hline
630     $R_{E-P}$&BT&2.10&45.53&49.63&-4.10\\ \hline
631     $R_{E}$&BT&2.10&43.93&52.86&-8.93\\ \hline
632
633     $EPSA$&SP&1.38& 33.51&15.65&17.86 \\ \hline
634     $R_{E-P}$&SP&2.11&45.62&42.52&3.10\\ \hline
635     $R_{E}$&SP&2.11&45.78&43.09&2.69\\ \hline
636
637     $EPSA$&FT&1.25&25.00&10.80&14.20 \\ \hline
638     $R_{E-P}$&FT&2.10&39.29&34.30&4.99 \\ \hline
639     $R_{E}$&FT&2.10&37.56&38.21&-0.65\\ \hline
640   \end{tabular}
641   \label{table:compareA}
642   % is used to refer this table in the text
643 \end{table}
644 \begin{table}[p]
645   \caption{Comparing results for the NAS class B}
646   % title of Table
647   \centering
648   \begin{tabular}{|l|l|*{4}{r|}}
649     \hline
650     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
651     Name &Name&Value& Saving \%&Degradation \% &Distance
652     \\ \hline
653     % \rowcolor[gray]{0.85}
654     $EPSA$&CG & 1.66 &39.23&16.63&22.60   \\ \hline
655     $R_{E-P}$&CG &2.15 &45.34&27.60&17.74\\ \hline
656     $R_{E}$&CG &2.15 &45.34&28.88&16.46\\ \hline
657
658     $EPSA$ &MG & 1.47 &34.98&18.35&16.63\\ \hline
659     $R_{E-P}$&MG &2.14&43.55&36.42&7.13 \\ \hline
660     $R_{E}$&MG &2.14&43.56&37.07&6.49 \\ \hline
661
662     $EPSA$&EP &1.08 &20.29&17.15&3.14 \\ \hline
663     $R_{E-P}$&EP&2.00&42.38&56.88&-14.50\\ \hline
664     $R_{E}$&EP&2.00&39.73&59.94&-20.21\\ \hline
665
666     $EPSA$&LU&1.47&38.57&21.34&17.23 \\ \hline
667     $R_{E-P}$&LU&2.10&43.62&36.51&7.11 \\ \hline
668     $R_{E}$&LU&2.10&43.61&38.54&5.07 \\ \hline
669
670     $EPSA$&BT&1.31& 29.59&20.88&8.71\\ \hline
671     $R_{E-P}$&BT&2.10&44.53&53.05&-8.52\\ \hline
672     $R_{E}$&BT&2.10&42.93&52.80&-9.87\\ \hline
673
674     $EPSA$&SP&1.38&33.44&19.24&14.20 \\ \hline
675     $R_{E-P}$&SP&2.15&45.69&43.20&2.49\\ \hline
676     $R_{E}$&SP&2.15&45.41&44.47&0.94\\ \hline
677
678     $EPSA$&FT&1.38&34.40&14.57&19.83 \\ \hline
679     $R_{E-P}$&FT&2.13&42.98&37.35&5.63 \\ \hline
680     $R_{E}$&FT&2.13&43.04&37.90&5.14\\ \hline
681   \end{tabular}
682   \label{table:compareB}
683   % is used to refer this table in the text
684 \end{table}
685
686 \begin{table}[p]
687   \caption{Comparing results for the NAS class C}
688   % title of Table
689   \centering
690   \begin{tabular}{|l|l|*{4}{r|}}
691     \hline
692     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
693     Name &Name&Value& Saving \%&Degradation \% &Distance
694     \\ \hline
695     % \rowcolor[gray]{0.85}
696     $EPSA$&CG & 1.56 &39.23&14.88&24.35  \\ \hline
697     $R_{E-P}$&CG &2.15 &45.36&25.89&19.47\\ \hline
698     $R_{E}$&CG &2.15 &45.36&26.70&18.66\\ \hline
699
700     $EPSA$&MG & 1.47 &34.97&21.69&13.27\\ \hline
701     $R_{E-P}$&MG &2.15&43.65&40.45&3.20 \\ \hline
702     $R_{E}$&MG &2.15&43.64&41.38&2.26 \\ \hline
703
704     $EPSA$&EP &1.04 &22.14&20.73&1.41 \\ \hline
705     $R_{E-P}$&EP&1.92&39.40&56.33&-16.93\\ \hline
706     $R_{E}$&EP&1.92&38.10&56.35&-18.25\\ \hline
707
708     $EPSA$&LU&1.38&35.83&22.49&13.34 \\ \hline
709     $R_{E-P}$&LU&2.15&44.97&41.00&3.97 \\ \hline
710     $R_{E}$&LU&2.15&44.97&41.80&3.17 \\ \hline
711
712     $EPSA$&BT&1.31& 29.60&21.28&8.32\\ \hline
713     $R_{E-P}$&BT&2.13&45.60&49.84&-4.24\\ \hline
714     $R_{E}$&BT&2.13&44.90&55.16&-10.26\\ \hline
715
716     $EPSA$&SP&1.38&33.48&21.35&12.12\\ \hline
717     $R_{E-P}$&SP&2.10&45.69&43.60&2.09\\ \hline
718     $R_{E}$&SP&2.10&45.75&44.10&1.65\\ \hline
719
720     $EPSA$&FT&1.47&34.72&19.00&15.72 \\ \hline
721     $R_{E-P}$&FT&2.04&39.40&37.10&2.30\\ \hline
722     $R_{E}$&FT&2.04&39.35&37.70&1.65\\ \hline
723   \end{tabular}
724 \label{table:compareC}
725 % is used to refer this table in the text
726 \end{table}
727 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. 
728
729 Figure~(\ref{fig:compare}) shows the maximum distance between the energy saving
730 percent and the performance degradation percent.  
731 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
732 while keeping the performance degradation as low as possible. Our algorithm always
733 gives the highest positive energy to performance tradeoffs while Rauber and Rünger method
734 ($R_{E-P}$) gives in some time negative tradeoffs such as in BT and
735 EP.
736 \begin{figure*}[t]
737   \centering
738   \includegraphics[width=.328\textwidth]{compare_class_A.pdf}
739   \includegraphics[width=.328\textwidth]{compare_class_B.pdf}
740   \includegraphics[width=.328\textwidth]{compare_class_c.pdf}
741   \caption{Comparing our method to Rauber and Rünger methods}
742   \label{fig:compare}
743 \end{figure*}
744 \section{Conclusion}
745 \label{sec.concl}
746 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 and Rünger methods while being executed on the simulator SimGrid. The results showed that our method, outperforms Rauber and Rünger methods in terms of energy-performance ratio. 
747
748 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.
749
750
751 \section*{Acknowledgment}
752 As a PhD student, M. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
753 Babylon (Iraq) for supporting his work.
754
755 <<<<<<< HEAD
756 =======
757 \JC{delete the online paths for each reference\AG{except for TOP500 and the NPB}}
758 >>>>>>> a61f50d29efe27025514a6a5e34444845de7fe9b
759 % trigger a \newpage just before the given reference
760 % number - used to balance the columns on the last page
761 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
762 % the document is modified later
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764
765 \bibliographystyle{IEEEtran}
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768
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776 %  LocalWords:  Fanfakh Charr FIXME Tianhe DVFS HPC NAS NPB SMPI Rauber's Rauber
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