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