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3
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20 \newcommand{\AG}[2][inline]{\todo[color=green!50,#1]{\sffamily\small\textbf{AG:} #2}}
21
22 \begin{document}
23
24 \title{Optimal Dynamic Frequency Scaling for Energy-Performance of Parallel MPI Programs}
25 \author{A. Badri \and J.-C. Charr \and R. Couturier \and A. Giersch}
26 \maketitle
27
28 \AG{``Optimal'' is a bit pretentious in the title}
29
30 \begin{abstract}
31   \AG{FIXME}
32 \end{abstract}
33
34 \section{Introduction}
35
36 The need for computing power is still increasing and it is not expected to slow
37 down in the coming years. To satisfy this demand, researchers and supercomputers
38 constructors have been regularly increasing the number of computing cores in
39 supercomputers (for example in November 2013, according to the top 500
40 list~\cite{43}, the Tianhe-2 was the fastest supercomputer. It has more than 3
41 millions of cores and delivers more than 33 Tflop/s while consuming 17808
42 kW). This large increase in number of computing cores has led to large energy
43 consumption by these architectures. Moreover, the price of energy is expected to
44 continue its ascent according to the demand. For all these reasons energy
45 reduction became an important topic in the high performance computing field. To
46 tackle this problem, many researchers used DVFS (Dynamic Voltage Frequency
47 Scaling) operations which reduce dynamically the frequency and voltage of cores
48 and thus their energy consumption. However, this operation also degrades the
49 performance of computation. Therefore researchers try to reduce the frequency to
50 minimum when processors are idle (waiting for data from other processors or
51 communicating with other processors). Moreover, depending on their objectives
52 they use heuristics to find the best scaling factor during the computation. If
53 they aim for performance they choose the best scaling factor that reduces the
54 consumed energy while affecting as little as possible the performance. On the
55 other hand, if they aim for energy reduction, the chosen scaling factor must
56 produce the most energy efficient execution without considering the degradation
57 of the performance. It is important to notice that lowering the frequency to
58 minimum value does not always give the most efficient execution due to energy
59 leakage. The best scaling factor might be chosen during execution (online) or
60 during a pre-execution phase.  In this paper we emphasize to develop an
61 algorithm that selects the optimal frequency scaling factor that takes into
62 consideration simultaneously the energy consumption and the performance. The
63 main objective of HPC systems is to run the application with less execution
64 time. Therefore, our algorithm selects the optimal scaling factor online with
65 very small footprint. The proposed algorithm takes into account the
66 communication times of the MPI programs to choose the scaling factor. This
67 algorithm has ability to predict both energy consumption and execution time over
68 all available scaling factors.  The prediction achieved depends on some
69 computing time information, gathered at the beginning of the runtime.  We apply
70 this algorithm to seven MPI benchmarks. These MPI programs are the NAS parallel
71 benchmarks (NPB v3.3) developed by NASA~\cite{44}. Our experiments are executed
72 using the simulator SimGrid/SMPI v3.10~\cite{Casanova:2008:SGF:1397760.1398183}
73 over an homogeneous distributed memory architecture. Furthermore, we compare the
74 proposed algorithm with Rauber's methods. The comparison's results show that our
75 algorithm gives better energy-time trade off.
76
77 \section{Related Works}
78
79 In the this section some heuristics, to compute the scaling factor, are
80 presented and classified in two parts : offline and online methods.
81
82 \subsection{The offline DVFS orientations}
83
84 The DVFS offline methods are static and are not executed during the runtime of
85 the program. Some approaches used heuristics to select the best DVFS state
86 during the compilation phases as an example in Azevedo et al.~\cite{40}. He used
87 intra-task algorithm to choose the DVFS setting when there are dependency points
88 between tasks. While in~\cite{29}, Xie et al. used breadth-first search
89 algorithm to do that. Their goal is saving energy with time limits. Another
90 approaches gathers and stores the runtime information for each DVFS state, then
91 used their methods offline to select the suitable DVFS that optimize energy-time
92 trade offs. As an example~\cite{8}, Rountree et al. used liner programming
93 algorithm, while in~\cite{38,34}, Cochran et al. used multi logistic regression
94 algorithm for the same goal. The offline study that shown the DVFS impact on the
95 communication time of the MPI program is~\cite{17}, Freeh et al. show that these
96 times not changed when the frequency is scaled down.
97
98 \subsection{The online DVFS orientations}
99
100 The objective of these works is to dynamically compute and set the frequency of
101 the CPU during the runtime of the program for saving energy. Estimating and
102 predicting approaches for the energy-time trade offs developed by
103 ~\cite{11,2,31}. These works select the best DVFS setting depending on the slack
104 times. These times happen when the processors have to wait for data from other
105 processors to compute their task. For example, during the synchronous
106 communication time that take place in the MPI programs, the processors are
107 idle. The optimal DVFS can be selected using the learning methods. Therefore, in
108 ~\cite{39,19} used machine learning to converge to the suitable DVFS
109 configuration. Their learning algorithms have big time to converge when the
110 number of available frequencies is high. Also, the communication time of the MPI
111 program used online for saving energy as in~\cite{1}, Lim et al. developed an
112 algorithm that detects the communication sections and changes the frequency
113 during these sections only. This approach changes the frequency many times
114 because an iteration may contain more than one communication section. The domain
115 of analytical modeling used for choosing the optimal frequency as in~\cite{3},
116 Rauber et al. developed an analytical mathematical model for determining the
117 optimal frequency scaling factor for any number of concurrent tasks, without
118 considering communication times. They set the slowest task to maximum frequency
119 for maintaining performance.  In this paper we compare our algorithm with
120 Rauber's model~\cite{3}, because his model can be used for any number of
121 concurrent tasks for homogeneous platform and this is the same direction of this
122 paper.  However, the primary contributions of this paper are:
123 \begin{enumerate}
124 \item Selecting the optimal frequency scaling factor for energy and performance
125   simultaneously. While taking into account the communication time.
126 \item Adapting our scale factor to taking into account the imbalanced tasks.
127 \item The execution time of our algorithm is very small when compared to other
128   methods (e.g.,~\cite{19}).
129 \item The proposed algorithm works online without profiling or training as
130   in~\cite{38,34}.
131 \end{enumerate}
132
133 \section{Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform}
134
135 A homogeneous cluster consists of identical nodes in terms of the hardware and
136 the software. Each node has its own memory and at least one processor which can
137 be a multi-core. The nodes are connected via a high bandwidth network. Tasks
138 executed on this model can be either synchronous or asynchronous. In this paper
139 we consider execution of the synchronous tasks on distributed homogeneous
140 platform. These tasks can exchange the data via synchronous memory passing.
141 \begin{figure}[h]
142   \centering
143   \subfloat[Synch. Imbalanced Communications]{\includegraphics[scale=0.67]{synch_tasks}\label{fig:h1}}
144   \subfloat[Synch. Imbalanced Computations]{\includegraphics[scale=0.67]{compt}\label{fig:h2}}
145   \caption{Parallel Tasks on Homogeneous Platform}
146   \label{fig:homo}
147 \end{figure}
148 Therefore, the execution time of a task consists of the computation time and the
149 communication time. Moreover, the synchronous communications between tasks can
150 lead to idle time while tasks wait at the synchronous point for others tasks to
151 finish their communications see figure~(\ref{fig:h1}).  Another source for idle
152 times is the imbalanced computations. This happen when processing different
153 amounts of data on each processor as an example see figure~(\ref{fig:h2}). In
154 this case the fastest tasks have to wait at the synchronous barrier for the
155 slowest tasks to finish their job. In both two cases the overall execution time
156 of the program is the execution time of the slowest task as :
157 \begin{equation}
158   \label{eq:T1}
159   \textit{Program Time} = \max_{i=1,2,\dots,N} T_i
160 \end{equation}
161 where $T_i$ is the execution time of process $i$.
162
163 \section{Energy Model for Homogeneous Platform}
164
165 The energy consumption by the processor consists of two powers metric: the
166 dynamic and the static power. This general power formulation is used by many
167 researchers see~\cite{9,3,15,26}. The dynamic power of the CMOS processors
168 $P_{dyn}$ is related to the switching activity $\alpha$, load capacitance $C_L$,
169 the supply voltage $V$ and operational frequency $f$ respectively as follow :
170 \begin{equation}
171   \label{eq:pd}
172   P_{dyn} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot f
173 \end{equation}
174 The static power $P_{static}$ captures the leakage power consumption as well as
175 the power consumption of peripheral devices like the I/O subsystem.
176 \begin{equation}
177   \label{eq:ps}
178   P_{static}  = V \cdot N \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
179 \end{equation}
180 where V is the supply voltage, N is the number of transistors, $K_{design}$ is a
181 design dependent parameter and $I_{leak}$ is a technology-dependent
182 parameter. Energy consumed by an individual processor $E_{ind}$ is the summation
183 of the dynamic and the static power multiply by the execution time for example
184 see~\cite{36,15} .
185 \begin{equation}
186   \label{eq:eind}
187   E_{ind} = ( P_{dyn} + P_{static} ) \cdot T
188 \end{equation}
189 The dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) is a process that allowed in
190 modern processors to reduce the dynamic power by scaling down the voltage and
191 frequency. Its main objective is to reduce the overall energy
192 consumption~\cite{37}. The operational frequency \emph f depends linearly on the
193 supply voltage $V$, i.e., $V = \beta . f$ with some constant $\beta$. This
194 equation is used to study the change of the dynamic voltage with respect to
195 various frequency values in~\cite{3}. The reduction process of the frequency are
196 expressed by scaling factor \emph S. The scale \emph S is the ratio between the
197 maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
198 \begin{equation}
199   \label{eq:s}
200   S = \frac{F_{max}}{F_{new}}
201 \end{equation}
202 The value of the scale \emph S is grater than 1 when changing the frequency to
203 any new frequency value(\emph {P-state}) in governor. It is equal to 1 when the
204 frequency are set to the maximum frequency.  The energy consumption model for
205 parallel homogeneous platform is depending on the scaling factor \emph S. This
206 factor reduces quadratically the dynamic power.  Also, this factor increases the
207 static energy linearly because the execution time is increased~\cite{36}.  The
208 energy model, depending on the frequency scaling factor, of homogeneous platform
209 for any number of concurrent tasks develops by Rauber~\cite{3}. This model
210 consider the two powers metric for measuring the energy of the parallel tasks as
211 in EQ~(\ref{eq:energy}).
212
213 \begin{equation}
214   \label{eq:energy}
215   E = P_{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
216     \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^2} \right) +
217     P_{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N
218  \hfill
219 \end{equation}
220 Where \emph N is the number of parallel nodes, $T_1 $ is the time of the slower
221 task, $T_i$ is the time of the task $i$ and $S_1$ is the maximum scaling factor
222 for the slower task. The scaling factor $S_1$, as in EQ~(\ref{eq:s1}), selects
223 from the set of scales values $S_i$. Each of these scales are proportional to
224 the time value $T_i$ depends on the new frequency value as in EQ~(\ref{eq:si}).
225 \begin{equation}
226   \label{eq:s1}
227   S_1 = \max_{i=1,2,\dots,F} S_i
228 \end{equation}
229 \begin{equation}
230   \label{eq:si}
231   S_i = S \cdot \frac{T_1}{T_i}
232       = \frac{F_{max}}{F_{new}} \cdot \frac{T_1}{T_i}
233 \end{equation}
234 Where $F$ is the number of available frequencies. In this paper we depend on
235 Rauber's energy model EQ~(\ref{eq:energy}) for two reasons : 1-this model used
236 for homogeneous platform that we work on in this paper. 2-we are compare our
237 algorithm with Rauber's scaling model.  Rauber's optimal scaling factor for
238 optimal energy reduction derived from the EQ~(\ref{eq:energy}). He takes the
239 derivation for this equation (to be minimized) and set it to zero to produce the
240 scaling factor as in EQ~(\ref{eq:sopt}).
241 \begin{equation}
242   \label{eq:sopt}
243   S_{opt} = \sqrt[3]{\frac{2}{n} \cdot \frac{P_{dyn}}{P_{static}} \cdot
244     \left( 1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^3} \right) }
245 \end{equation}
246
247 \section{Performance Evaluation of MPI Programs}
248
249 The performance (execution time) of the parallel MPI applications are depends on
250 the time of the slowest task as in figure~(\ref{fig:homo}). Normally the
251 execution time of the parallel programs are proportional to the operational
252 frequency. Therefore, any DVFS operation for the energy reduction increase the
253 execution time of the parallel program. As shown in EQ~(\ref{eq:energy}) the
254 energy affected by the scaling factor $S$. This factor also has a great impact
255 on the performance. When scaling down the frequency to the new value according
256 to EQ~(\ref{eq:s}) lead to the value of the scale $S$ has inverse relation with
257 new frequency value ($S \propto \frac{1}{F_{new}}$). Also when decrease the
258 frequency value, the execution time increase. Then the new frequency value has
259 inverse relation with time ($F_{new} \propto \frac{1}{T}$). This lead to the
260 frequency scaling factor $S$ proportional linearly with execution time ($S
261 \propto T$). Large scale MPI applications such as NAS benchmarks have
262 considerable amount of communications embedded in these programs. During the
263 communication process the processor remain idle until the communication has
264 finished. For that reason any change in the frequency has no impact on the time
265 of communication but it has obvious impact on the time of
266 computation~\cite{17}. We are made many tests on real cluster to prove that the
267 frequency scaling factor \emph S has a linear relation with computation time
268 only also see~\cite{41}. To predict the execution time of MPI program, firstly
269 must be precisely specifying communication time and the computation time for the
270 slower task. Secondly, we use these times for predicting the execution time for
271 any MPI program as a function of the new scaling factor as in the
272 EQ~(\ref{eq:tnew}).
273 \begin{equation}
274   \label{eq:tnew}
275   T_{new} = T_{\textit{Max Comp Old}} \cdot S + T_{\textit{Max Comm Old}}
276 \end{equation}
277 The above equation shows that the scaling factor \emph S has linear relation
278 with the computation time without affecting the communication time. The
279 communication time consists of the beginning times which an MPI calls for
280 sending or receiving till the message is synchronously sent or received. In this
281 paper we predict the execution time of the program for any new scaling factor
282 value. Depending on this prediction we can produce our energy-performance scaling
283 method as we will show in the coming sections. In the next section we make an
284 investigation study for the EQ~(\ref{eq:tnew}).
285
286 \section{Performance Prediction Verification}
287
288 In this section we evaluate the precision of our performance prediction methods
289 on the NAS benchmark. We use the EQ~(\ref{eq:tnew}) that predicts the execution
290 time for any scale value. The NAS programs run the class B for comparing the
291 real execution time with the predicted execution time. Each program runs offline
292 with all available scaling factors on 8 or 9 nodes to produce real execution
293 time values. These scaling factors are computed by dividing the maximum
294 frequency by the new one see EQ~(\ref{eq:s}). In all tests, we use the simulator
295 SimGrid/SMPI v3.10 to run the NAS programs.
296 \AG{Fig.~\ref{fig:pred} is hard to read when printed in black and white,
297   especially the ``Normalize Real Perf.'' curve.}
298 \begin{figure}[width=\textwidth,height=\textheight,keepaspectratio]
299   \centering
300   \includegraphics[scale=0.60]{cg_per.eps}
301   \includegraphics[scale=0.60]{mg_pre.eps}
302   \includegraphics[scale=0.60]{bt_pre.eps}
303   \includegraphics[scale=0.60]{lu_pre.eps}
304   \caption{Fitting Predicted to Real Execution Time}
305   \label{fig:pred}
306 \end{figure}
307 %see Figure~\ref{fig:pred}
308 In our cluster there are 18 available frequency states for each processor from
309 2.5 GHz to 800 MHz, there is 100 MHz difference between two successive
310 frequencies. For more details on the characteristics of the platform refer to
311 table~(\ref{table:platform}). This lead to 18 run states for each program. We
312 use seven MPI programs of the NAS parallel benchmarks : CG, MG, EP, FT, BT, LU
313 and SP. The average normalized errors between the predicted execution time and
314 the real time (SimGrid time) for all programs is between 0.0032 to 0.0133. AS an
315 example, we are present the execution times of the NAS benchmarks as in the
316 figure~(\ref{fig:pred}).
317
318 \section{Performance to Energy Competition}
319 This section demonstrates our approach for choosing the optimal scaling
320 factor. This factor gives maximum energy reduction taking into account the
321 execution time for both computation and communication times . The relation
322 between the energy and the performance are nonlinear and complex, because the
323 relation of the energy with scaling factor is nonlinear and with the performance
324 it is linear see~\cite{17}. The relation between the energy and the performance
325 is not straightforward. Moreover, they are not measured using the same metric.
326 For solving this problem, we normalize the energy by calculating the ratio
327 between the consumed energy with scaled frequency and the consumed energy
328 without scaled frequency :
329 \begin{equation}
330   \label{eq:enorm}
331   E_\textit{Norm} = \frac{E_{Reduced}}{E_{Original}}
332           = \frac{ P_{dyn} \cdot S_i^{-2} \cdot
333                \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
334                P_{static} \cdot T_1 \cdot S_i \cdot N  }{
335               P_{dyn} \cdot \left(T_1+\sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
336               P_{static} \cdot T_1 \cdot N }
337 \end{equation}
338 \AG{Use \texttt{\textbackslash{}text\{xxx\}} or
339   \texttt{\textbackslash{}textit\{xxx\}} for all subscripted words in equations
340   (e.g. \mbox{\texttt{E\_\{\textbackslash{}text\{Norm\}\}}}).
341
342   Don't hesitate to define new commands :
343   \mbox{\texttt{\textbackslash{}newcommand\{\textbackslash{}ENorm\}\{E\_\{\textbackslash{}text\{Norm\}\}\}}}
344 }
345 By the same way we can normalize the performance as follows :
346 \begin{equation}
347   \label{eq:pnorm}
348   P_{Norm} = \frac{T_{New}}{T_{Old}}
349           = \frac{T_{\textit{Max Comp Old}} \cdot S +
350               T_{\textit{Max Comm Old}}}{T_{Old}}
351 \end{equation}
352 The second problem is the optimization operation for both energy and performance
353 is not in the same direction. In other words, the normalized energy and the
354 performance curves are not in the same direction see figure~(\ref{fig:r2}).
355 While the main goal is to optimize the energy and performance in the same
356 time. According to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}) the
357 scaling factor \emph S reduce both the energy and the performance
358 simultaneously. But the main objective is to produce maximum energy reduction
359 with minimum performance reduction. Many researchers used different strategies
360 to solve this nonlinear problem for example see~\cite{19,42}, their methods add
361 big overhead to the algorithm for selecting the suitable frequency. In this
362 paper we are present a method to find the optimal scaling factor \emph S for
363 optimize both energy and performance simultaneously without adding big
364 overheads.  Our solution for this problem is to make the optimization process
365 have the same direction. Therefore, we inverse the equation of normalize
366 performance as follows :
367 \begin{equation}
368   \label{eq:pnorm_en}
369   P^{-1}_{Norm} = \frac{T_{Old}}{T_{New}}
370                = \frac{T_{Old}}{T_{\textit{Max Comp Old}} \cdot S +
371                  T_{\textit{Max Comm Old}}}
372 \end{equation}
373 \begin{figure}
374   \centering
375   \subfloat[Converted Relation.]{\includegraphics[scale=0.70]{file.eps}\label{fig:r1}}
376   \subfloat[Real Relation.]{\includegraphics[scale=0.70]{file3.eps}\label{fig:r2}}
377   \label{fig:rel}
378   \caption{The Energy and Performance Relation}
379 \end{figure}
380 Then, we can modelize our objective function as finding the maximum distance
381 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the inverse of performance
382 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_en}) over all available scaling factors. This represent
383 the minimum energy consumption with minimum execution time (better performance)
384 in the same time, see figure~(\ref{fig:r1}). Then our objective function has the
385 following form:
386 \begin{equation}
387   \label{eq:max}
388   \textit{MaxDist} = \max (\overbrace{P^{-1}_{Norm}}^{\text{Maximize}} -
389                            \overbrace{E_{Norm}}^{\text{Minimize}} )
390 \end{equation}
391 Then we can select the optimal scaling factor that satisfy the
392 EQ~(\ref{eq:max}).  Our objective function can works with any energy model or
393 static power values stored in a data file. Moreover, this function works in
394 optimal way when the energy function has a convex form with frequency scaling
395 factor as shown in~\cite{15,3,19}. Energy measurement model is not the
396 objective of this paper and we choose Rauber's model as an example with two
397 reasons that mentioned before.
398
399 \section{Optimal Scaling Factor for Performance and Energy}
400
401 In the previous section we described the objective function that satisfy our
402 goal in discovering optimal scaling factor for both performance and energy at
403 the same time. Therefore, we develop an energy to performance scaling algorithm
404 (EPSA). This algorithm is simple and has a direct way to calculate the optimal
405 scaling factor for both energy and performance at the same time.
406 \begin{algorithm}[t]
407   \caption{EPSA}
408   \label{EPSA}
409   \begin{algorithmic}[1]
410     \State  Initialize the variable $Dist=0$
411     \State Set dynamic and static power values.
412     \State Set $P_{states}$ to the number of available frequencies.
413     \State Set the variable $F_{new}$ to max. frequency,  $F_{new} = F_{max} $
414     \State Set the variable $F_{diff}$ to the scale value between each two frequencies.
415     \For {$i=1$   to   $P_{states} $}
416       \State - Calculate the new frequency as $F_{new}=F_{new} - F_{diff} $
417       \State - Calculate the scale factor $S$ as in EQ~(\ref{eq:s}).
418       \State - Calculate all available scales $S_i$  depend on $S$ as in EQ~(\ref{eq:si}).
419       \State - Select the maximum scale factor $S_1$ from the set of scales $S_i$.
420       \State - Calculate the normalize energy $E_{Norm}=E_{R}/E_{O}$ as in EQ~(\ref{eq:enorm}).
421       \State - Calculate the normalize inverse of performance\par
422                $P_{NormInv}=T_{old}/T_{new}$ as in EQ~(\ref{eq:pnorm_en}).
423       \If{  $(P_{NormInv}-E_{Norm} > Dist$) }
424         \State $S_{optimal} = S$
425         \State $Dist = P_{NormInv} - E_{Norm}$
426       \EndIf
427     \EndFor
428     \State  Return $S_{optimal}$
429   \end{algorithmic}
430 \end{algorithm}
431 The proposed EPSA algorithm works online during the execution time of the MPI
432 program. It selects the optimal scaling factor by gathering some information
433 from the program after one iteration. This algorithm has small execution time
434 (between 0.00152 $ms$ for 4 nodes to 0.00665 $ms$ for 32 nodes). The data
435 required by this algorithm is the computation time and the communication time
436 for each task from the first iteration only. When these times are measured, the
437 MPI program calls the EPSA algorithm to choose the new frequency using the
438 optimal scaling factor. Then the program set the new frequency to the
439 system. The algorithm is called just one time during the execution of the
440 program. The following example shows where and when the EPSA algorithm is called
441 in the MPI program :
442 %\begin{minipage}{\textwidth}
443 %\AG{Use the same format as for Algorithm~\ref{EPSA}}
444
445 \begin{algorithm}[d]
446   \caption{DVFS}
447   \label{dvfs}
448   \begin{algorithmic}
449  \For {$J:=1$ to $Some_iterations Do$}
450   \State -Computations Section.
451    \State -Communications Section.
452    \If {$(J==1)$} 
453      \State -Gather all times of computation and\par
454         \State      communication from each node.
455      \State -Call EPSA with these times.
456      \State -Calculate the new frequency from optimal scale.
457      \State -Set the new frequency to the system.
458    \EndIf
459 \EndFor
460 \end{algorithmic}
461 \end{algorithm}
462 \clearpage
463 After obtaining the optimal scale factor from the EPSA algorithm. The program
464 calculates the new frequency $F_i$ for each task proportionally to its time
465 value $T_i$. By substitution of the EQ~(\ref{eq:s}) in the EQ~(\ref{eq:si}), we
466 can calculate the new frequency $F_i$ as follows :
467 \begin{equation}
468   \label{eq:fi}
469   F_i = \frac{F_{max} \cdot T_i}{S_{optimal} \cdot T_{max}}
470 \end{equation}
471 According to this equation all the nodes may have the same frequency value if
472 they have balanced workloads. Otherwise, they take different frequencies when
473 have imbalanced workloads. Then EQ~(\ref{eq:fi}) works in adaptive way to change
474 the frequency according to the nodes workloads.
475
476 \section{Experimental Results}
477
478 The proposed EPSA algorithm was applied to seven MPI programs of the NAS
479 benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP). We work on three classes (A, B and
480 C) for each program. Each program runs on specific number of processors
481 proportional to the size of the class.  Each class represents the problem size
482 ascending from the class A to C. Additionally, depending on some speed up points
483 for each class we run the classes A, B and C on 4, 8 or 9 and 16 nodes
484 respectively. Our experiments are executed on the simulator SimGrid/SMPI
485 v3.10. We design a platform file that simulates a cluster with one core per
486 node. This cluster is a homogeneous architecture with distributed memory. The
487 detailed characteristics of our platform file are shown in the
488 table~(\ref{table:platform}). Each node in the cluster has 18 frequency values
489 from 2.5 GHz to 800 MHz with 100 MHz difference between each two successive
490 frequencies.
491 \begin{table}[ht]
492   \caption{Platform File Parameters}
493   % title of Table
494   \centering
495   \AG{Use e.g. $5\times 10^{-7}$ instead of 5E-7}
496   \begin{tabular}{ | l | l | l |l | l |l |l |  p{2cm} |}
497     \hline
498     Max & Min & Backbone & Backbone&Link &Link& Sharing  \\
499     Freq. & Freq. & Bandwidth & Latency & Bandwidth& Latency&Policy  \\ \hline
500     2.5 &800 & 2.25 GBps &5E-7 s & 1 GBps & 5E-5 s&Full  \\
501     GHz& MHz&  & & &  &Duplex  \\\hline
502   \end{tabular}
503   \label{table:platform}
504 \end{table}
505 Depending on the EQ~(\ref{eq:energy}), we measure the energy consumption for all
506 the NAS MPI programs while assuming the power dynamic is equal to 20W and the
507 power static is equal to 4W for all experiments. We run the proposed EPSA
508 algorithm for all these programs. The results showed that the algorithm selected
509 different scaling factors for each program depending on the communication
510 features of the program as in the figure~(\ref{fig:nas}). This figure shows that
511 there are different distances between the normalized energy and the normalized
512 inversed performance curves, because there are different communication features
513 for each MPI program.  When there are little or not communications, the inversed
514 performance curve is very close to the energy curve. Then the distance between
515 the two curves is very small. This lead to small energy savings. The opposite
516 happens when there are a lot of communication, the distance between the two
517 curves is big.  This lead to more energy savings (e.g. CG and FT), see
518 table~(\ref{table:factors results}). All discovered frequency scaling factors
519 optimize both the energy and the performance simultaneously for all the NAS
520 programs. In table~(\ref{table:factors results}), we record all optimal scaling
521 factors results for each program on class C. These factors give the maximum
522 energy saving percent and the minimum performance degradation percent in the
523 same time over all available scales.
524 \begin{figure}[width=\textwidth,height=\textheight,keepaspectratio]
525   \centering
526   \includegraphics[scale=0.47]{ep.eps}
527   \includegraphics[scale=0.47]{cg.eps}
528   \includegraphics[scale=0.47]{sp.eps}
529   \includegraphics[scale=0.47]{lu.eps}
530   \includegraphics[scale=0.47]{bt.eps}
531   \includegraphics[scale=0.47]{ft.eps}
532   \caption{Optimal scaling factors for The NAS MPI Programs}
533   \label{fig:nas}
534 \end{figure}
535 \begin{table}[width=\textwidth,height=\textheight,keepaspectratio]
536   \caption{Optimal Scaling Factors Results}
537   % title of Table
538   \centering
539   \AG{Use the same number of decimals for all numbers in a column,
540     and vertically align the numbers along the decimal points.
541     The same for all the following tables.}
542   \begin{tabular}{ | l | l | l |l | l | p{2cm} |}
543     \hline
544     Program & Optimal & Energy  & Performance&Energy-Perf.\\
545     Name & Scaling Factor& Saving \%&Degradation \% &Distance  \\ \hline
546     CG & 1.56 &39.23 & 14.88 & 24.35\\ \hline
547     MG & 1.47 &34.97&21.7& 13.27   \\ \hline
548     EP & 1.04 &22.14&20.73 &1.41\\ \hline
549     LU & 1.38 &35.83&22.49 &13.34\\ \hline
550     BT & 1.31 &29.60&21.28 &8.32\\ \hline
551     SP & 1.38 &33.48 &21.36&12.12\\ \hline
552     FT & 1.47 &34.72 &19.00&15.72\\ \hline
553   \end{tabular}
554   \label{table:factors results}
555   % is used to refer this table in the text
556 \end{table}
557
558 As shown in the table~(\ref{table:factors results}), when the optimal scaling
559 factor has big value we can gain more energy savings for example as in CG and
560 FT. The opposite happens when the optimal scaling factor is small value as
561 example BT and EP. Our algorithm selects big scaling factor value when the
562 communication and the other slacks times are big and smaller ones in opposite
563 cases. In EP there are no communications inside the iterations. This make our
564 EPSA to selects smaller scaling factor values (inducing smaller energy savings).
565
566 \section{Comparing Results}
567
568 In this section, we compare our EPSA algorithm results with Rauber's
569 methods~\cite{3}. He had two scenarios, the first is to reduce energy to optimal
570 level without considering the performance as in EQ~(\ref{eq:sopt}). We refer to
571 this scenario as $Rauber_{E}$. The second scenario is similar to the first
572 except setting the slower task to the maximum frequency (when the scale $S=1$)
573 to keep the performance from degradation as mush as possible. We refer to this
574 scenario as $Rauber_{E-P}$. The comparison is made in tables~(\ref{table:compare
575   Class A},\ref{table:compare Class B},\ref{table:compare Class C}). These
576 tables show the results of our EPSA and Rauber's two scenarios for all the NAS
577 benchmarks programs for classes A,B and C.
578 \begin{table}[ht]
579   \caption{Comparing Results for  The NAS Class A}
580   % title of Table
581   \centering
582   \begin{tabular}{ | l | l | l |l | l | l|  }
583     \hline
584     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
585     name &name&value& Saving \%&Degradation \% &Distance
586     \\ \hline
587     % \rowcolor[gray]{0.85}
588     EPSA&CG & 1.56 &37.02 & 13.88 & 23.14\\ \hline
589     $Rauber_{E-P}$&CG &2.14 &42.77 & 25.27 & 17.50\\ \hline
590     $Rauber_{E}$&CG &2.14 &42.77&26.46&16.31\\ \hline
591
592     EPSA&MG & 1.47 &27.66&16.82&10.84\\ \hline
593     $Rauber_{E-P}$&MG &2.14&34.45&31.84&2.61\\ \hline
594     $Rauber_{E}$&MG &2.14&34.48&33.65&0.80 \\ \hline
595
596     EPSA&EP &1.19 &25.32&20.79&4.53\\ \hline
597     $Rauber_{E-P}$&EP&2.05&41.45&55.67&-14.22\\ \hline
598     $Rauber_{E}$&EP&2.05&42.09&57.59&-15.50\\ \hline
599
600     EPSA&LU&1.56& 39.55 &19.38& 20.17\\ \hline
601     $Rauber_{E-P}$&LU&2.14&45.62&27.00&18.62 \\ \hline
602     $Rauber_{E}$&LU&2.14&45.66&33.01&12.65\\ \hline
603
604     EPSA&BT&1.31& 29.60&20.53&9.07 \\ \hline
605     $Rauber_{E-P}$&BT&2.10&45.53&49.63&-4.10\\ \hline
606     $Rauber_{E}$&BT&2.10&43.93&52.86&-8.93\\ \hline
607
608     EPSA&SP&1.38& 33.51&15.65&17.86 \\ \hline
609     $Rauber_{E-P}$&SP&2.11&45.62&42.52&3.10\\ \hline
610     $Rauber_{E}$&SP&2.11&45.78&43.09&2.69\\ \hline
611
612     EPSA&FT&1.25&25.00&10.80&14.20 \\ \hline
613     $Rauber_{E-P}$&FT&2.10&39.29&34.30&4.99 \\ \hline
614     $Rauber_{E}$&FT&2.10&37.56&38.21&-0.65\\ \hline
615   \end{tabular}
616   \label{table:compare Class A}
617   % is used to refer this table in the text
618 \end{table}
619 \begin{table}[ht]
620   \caption{Comparing Results for The NAS Class B}
621   % title of Table
622   \centering
623   \begin{tabular}{ | l | l | l |l | l |l|  }
624     \hline
625     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
626     name &name&value& Saving \%&Degradation \% &Distance
627     \\ \hline
628     % \rowcolor[gray]{0.85}
629     EPSA&CG & 1.66 &39.23&16.63&22.60   \\ \hline
630     $Rauber_{E-P}$&CG &2.15 &45.34&27.60&17.74\\ \hline
631     $Rauber_{E}$&CG &2.15 &45.34&28.88&16.46\\ \hline
632
633     EPSA&MG & 1.47 &34.98&18.35&16.63\\ \hline
634     $Rauber_{E-P}$&MG &2.14&43.55&36.42&7.13 \\ \hline
635     $Rauber_{E}$&MG &2.14&43.56&37.07&6.49 \\ \hline
636
637     EPSA&EP &1.08 &20.29&17.15&3.14 \\ \hline
638     $Rauber_{E-P}$&EP&2.00&42.38&56.88&-14.50\\ \hline
639     $Rauber_{E}$&EP&2.00&39.73&59.94&-20.21\\ \hline
640
641     EPSA&LU&1.47&38.57&21.34&17.23 \\ \hline
642     $Rauber_{E-P}$&LU&2.10&43.62&36.51&7.11 \\ \hline
643     $Rauber_{E}$&LU&2.10&43.61&38.54&5.07 \\ \hline
644
645     EPSA&BT&1.31& 29.59&20.88&8.71\\ \hline
646     $Rauber_{E-P}$&BT&2.10&44.53&53.05&-8.52\\ \hline
647     $Rauber_{E}$&BT&2.10&42.93&52.80&-9.87\\ \hline
648
649     EPSA&SP&1.38&33.44&19.24&14.20 \\ \hline
650     $Rauber_{E-P}$&SP&2.15&45.69&43.20&2.49\\ \hline
651     $Rauber_{E}$&SP&2.15&45.41&44.47&0.94\\ \hline
652
653     EPSA&FT&1.38&34.40&14.57&19.83 \\ \hline
654     $Rauber_{E-P}$&FT&2.13&42.98&37.35&5.63 \\ \hline
655     $Rauber_{E}$&FT&2.13&43.04&37.90&5.14\\ \hline
656   \end{tabular}
657   \label{table:compare Class B}
658   % is used to refer this table in the text
659 \end{table}
660
661 \begin{table}[ht]
662   \caption{Comparing Results for The NAS Class C}
663   % title of Table
664   \centering
665   \begin{tabular}{ | l | l | l |l | l |l|  }
666     \hline
667     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
668     name &name&value& Saving \%&Degradation \% &Distance
669     \\ \hline
670     % \rowcolor[gray]{0.85}
671     EPSA&CG & 1.56 &39.23&14.88&24.35  \\ \hline
672     $Rauber_{E-P}$&CG &2.15 &45.36&25.89&19.47\\ \hline
673     $Rauber_{E}$&CG &2.15 &45.36&26.70&18.66\\ \hline
674
675     EPSA&MG & 1.47 &34.97&21.69&13.27\\ \hline
676     $Rauber_{E-P}$&MG &2.15&43.65&40.45&3.20 \\ \hline
677     $Rauber_{E}$&MG &2.15&43.64&41.38&2.26 \\ \hline
678
679     EPSA&EP &1.04 &22.14&20.73&1.41 \\ \hline
680     $Rauber_{E-P}$&EP&1.92&39.40&56.33&-16.93\\ \hline
681     $Rauber_{E}$&EP&1.92&38.10&56.35&-18.25\\ \hline
682
683     EPSA&LU&1.38&35.83&22.49&13.34 \\ \hline
684     $Rauber_{E-P}$&LU&2.15&44.97&41.00&3.97 \\ \hline
685     $Rauber_{E}$&LU&2.15&44.97&41.80&3.17 \\ \hline
686
687     EPSA&BT&1.31& 29.60&21.28&8.32\\ \hline
688     $Rauber_{E-P}$&BT&2.13&45.60&49.84&-4.24\\ \hline
689     $Rauber_{E}$&BT&2.13&44.90&55.16&-10.26\\ \hline
690
691     EPSA&SP&1.38&33.48&21.35&12.12\\ \hline
692     $Rauber_{E-P}$&SP&2.10&45.69&43.60&2.09\\ \hline
693     $Rauber_{E}$&SP&2.10&45.75&44.10&1.65\\ \hline
694
695     EPSA&FT&1.47&34.72&19.00&15.72 \\ \hline
696     $Rauber_{E-P}$&FT&2.04&39.40&37.10&2.30\\ \hline
697     $Rauber_{E}$&FT&2.04&39.35&37.70&1.65\\ \hline
698   \end{tabular}
699 \label{table:compare Class C}
700 % is used to refer this table in the text
701 \end{table}
702 As shown in these tables our scaling factor is not optimal for energy saving
703 such as Rauber's scaling factor EQ~(\ref{eq:sopt}), but it is optimal for both
704 the energy and the performance simultaneously. Our EPSA optimal scaling factors
705 has better simultaneous optimization for both the energy and the performance
706 compared to Rauber's energy-performance method ($Rauber_{E-P}$). Also, in
707 ($Rauber_{E-P}$) method when setting the frequency to maximum value for the
708 slower task lead to a small improvement of the performance. Also the results
709 show that this method keep or improve energy saving. Because of the energy
710 consumption decrease when the execution time decreased while the frequency value
711 increased.
712
713 Figure~(\ref{fig:compare}) shows the maximum distance between the energy saving
714 percent and the performance degradation percent. Therefore, this means it is the
715 same resultant of our objective function EQ~(\ref{eq:max}). Our algorithm always
716 gives positive energy to performance trade offs while Rauber's method
717 ($Rauber_{E-P}$) gives in some time negative trade offs such as in BT and
718 EP. The positive trade offs with highest values lead to maximum energy savings
719 concatenating with less performance degradation and this the objective of this
720 paper. While the negative trade offs refers to improving energy saving (or may
721 be the performance) while degrading the performance (or may be the energy) more
722 than the first.
723 \begin{figure}[width=\textwidth,height=\textheight,keepaspectratio]
724   \centering
725   \includegraphics[scale=0.60]{compare_class_A.pdf}
726   \includegraphics[scale=0.60]{compare_class_B.pdf}
727   \includegraphics[scale=0.60]{compare_class_c.pdf}
728   % use scale 35 for all to be in the same line
729   \caption{Comparing Our EPSA with Rauber's Methods}
730   \label{fig:compare}
731 \end{figure}
732
733 \AG{\texttt{bibtex} gives many errors, please correct them}
734 \clearpage
735 \bibliographystyle{plain}
736 \bibliography{my_reference}
737 \end{document}
738
739 %%% Local Variables:
740 %%% mode: latex
741 %%% TeX-master: t
742 %%% fill-column: 80
743 %%%ispell-local-dictionary: "american"
744 %%% End:
745
746 %  LocalWords:  Badri Charr FIXME Tianhe DVFS HPC NAS NPB SMPI Rauber's Rauber
747 %  LocalWords:  CMOS EQ EPSA