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1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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19
20 \begin{document}
21
22 \title{The Simultaneous Dynamic Frequency Scaling for Energy-Performance of Parallel MPI Programs}
23
24 \author{%
25   \IEEEauthorblockN{%
26     Jean-Claude Charr,
27     Raphaël Couturier,
28     Ahmed Fanfakh and
29     Arnaud Giersch
30   }
31   \IEEEauthorblockA{%
32     FEMTO-ST Institute\\
33     University of Franche-Comté
34   }
35 }
36
37 \maketitle
38
39 \AG{Complete affiliation, add an email address, etc.}
40
41 \begin{abstract}
42   The important technique for energy reduction of parallel systems is CPU
43   frequency scaling. This operation is used by many researchers to reduce energy
44   consumption in many ways. Frequency scaling operation also has a big impact on
45   the performances. In some cases, the performance degradation ratio is bigger
46   than energy saving ratio when the frequency is scaled to low level. Therefore,
47   the trade offs between the energy and performance becomes more important topic
48   when using this technique. In this paper we developed an algorithm that select
49   the frequency scaling factor for both energy and performance simultaneously.
50   This algorithm takes into account the communication times when selecting the
51   frequency scaling factor. It works online without training or profiling to
52   have a very small overhead.  The algorithm has better energy-performance trade
53   offs compared to other methods.
54 \end{abstract}
55
56 \section{Introduction}
57 \label{sec.intro}
58
59 The need for computing power is still increasing and it is not expected to slow
60 down in the coming years. To satisfy this demand, researchers and supercomputers
61 constructors have been regularly increasing the number of computing cores in
62 supercomputers (for example in November 2013, according to the TOP500
63 list~\cite{43}, the Tianhe-2 was the fastest supercomputer. It has more than 3
64 millions of cores and delivers more than 33 Tflop/s while consuming 17808
65 kW). This large increase in number of computing cores has led to large energy
66 consumption by these architectures. Moreover, the price of energy is expected to
67 continue its ascent according to the demand. For all these reasons energy
68 reduction became an important topic in the high performance computing field. To
69 tackle this problem, many researchers used DVFS (Dynamic Voltage and Frequency
70 Scaling) operations which reduce dynamically the frequency and voltage of cores
71 and thus their energy consumption. However, this operation also degrades the
72 performance of computation. Therefore researchers try to reduce the frequency to
73 minimum when processors are idle (waiting for data from other processors or
74 communicating with other processors). Moreover, depending on their objectives
75 they use heuristics to find the best scaling factor during the computation. If
76 they aim for performance they choose the best scaling factor that reduces the
77 consumed energy while affecting as little as possible the performance. On the
78 other hand, if they aim for energy reduction, the chosen scaling factor must
79 produce the most energy efficient execution without considering the degradation
80 of the performance. It is important to notice that lowering the frequency to
81 minimum value does not always give the most efficient execution due to energy
82 leakage. The best scaling factor might be chosen during execution (online) or
83 during a pre-execution phase.  In this paper we emphasize to develop an
84 algorithm that selects a frequency scaling factor that simultaneously takes into
85 consideration  the energy consumption and the performance. The
86 main objective of HPC systems is to run the application with less execution
87 time. Therefore, our algorithm selects the scaling factor online with
88 very small footprint. The proposed algorithm takes into account the
89 communication times of the MPI program to choose the scaling factor. This
90 algorithm has ability to predict both energy consumption and execution time over
91 all available scaling factors.  The prediction achieved depends on some
92 computing time information, gathered at the beginning of the runtime.  We apply
93 this algorithm to seven MPI benchmarks. These MPI programs are the NAS parallel
94 benchmarks (NPB v3.3) developed by NASA~\cite{44}. Our experiments are executed
95 using the simulator SimGrid/SMPI v3.10~\cite{Casanova:2008:SGF:1397760.1398183}
96 over an homogeneous distributed memory architecture. Furthermore, we compare the
97 proposed algorithm with Rauber and Rünger methods~\cite{3}.
98 The comparison's results show that our
99 algorithm gives better energy-time trade off.
100
101 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents the works
102 from other authors.  Section~\ref{sec.exe} shows the execution of parallel
103 tasks and sources of idle times. Also, it resumes the energy
104 model of homogeneous platform. Section~\ref{sec.mpip} evaluates the performance
105 of MPI program.  Section~\ref{sec.compet} presents the energy-performance trade offs
106 objective function. Section~\ref{sec.optim} demonstrates the proposed
107 energy-performance algorithm. Section~\ref{sec.expe} verifies the performance prediction
108 model and presents the results of the proposed algorithm.  Also, It shows the comparison results. Finally,
109 we conclude in Section~\ref{sec.concl}.
110 \section{Related Works}
111 \label{sec.relwork}
112
113 \AG{Consider introducing the models sec.~\ref{sec.exe} maybe before related works}
114
115 In the this section some heuristics to compute the scaling factor are
116 presented and classified in two parts: offline and online methods.
117
118 \subsection{The offline DVFS orientations}
119
120 The DVFS offline methods are static and are not executed during the runtime of
121 the program. Some approaches used heuristics to select the best DVFS state
122 during the compilation phases as for example in Azevedo et al.~\cite{40}. They
123 use dynamic voltage scaling (DVS) algorithm to choose the DVS setting when there
124 are dependency points between tasks. While in~\cite{29}, Xie et al. used
125 breadth-first search algorithm to do that. Their goal is to save energy with
126 time limits. Another approach gathers and stores the runtime information for
127 each DVFS state, then selects the suitable DVFS offline to optimize energy-time
128 trade offs. As an example, Rountree et al.~\cite{8} use liner programming
129 algorithm, while in~\cite{38,34}, Cochran et al. use multi logistic regression
130 algorithm for the same goal. The offline study that shows the DVFS impact on the
131 communication time of the MPI program is~\cite{17}, where Freeh et al. show that
132 these times do not change when the frequency is scaled down.
133
134 \subsection{The online DVFS orientations}
135
136 The objective of the online DVFS orientations is to dynamically compute and set
137 the frequency of the CPU for saving energy during the runtime of the
138 programs. Estimating and predicting approaches for the energy-time trade offs
139 are developed by Kimura, Peraza, Yu-Liang et al.  ~\cite{11,2,31}. These works
140 select the best DVFS setting depending on the slack times. These times happen
141 when the processors have to wait for data from other processors to compute their
142 task. For example, during the synchronous communications that take place in MPI
143 programs, some processors are idle. The optimal DVFS can be selected using
144 learning methods. Therefore, in Dhiman, Hao Shen et al.  ~\cite{39,19} used
145 machine learning to converge to the suitable DVFS configuration. Their learning
146 algorithms take big time to converge when the number of available frequencies is
147 high. Also, the communication sections of the MPI program can be used to save
148 energy. In~\cite{1}, Lim et al. developed an algorithm that detects the
149 communication sections and changes the frequency during these sections
150 only. This approach changes the frequency many times because an iteration may
151 contain more than one communication section. The domain of analytical modeling
152 can also be used for choosing the optimal frequency as in Rauber and
153 Rünger~\cite{3}. They developed an analytical mathematical model to determine
154 the optimal frequency scaling factor for any number of concurrent tasks. They
155 set the slowest task to maximum frequency for maintaining performance.  In this
156 paper we compare our algorithm with Rauber and Rünger model~\cite{3}, because
157 their model can be used for any number of concurrent tasks for homogeneous
158 platforms. The primary contributions of this paper are:
159 \begin{enumerate}
160 \item Selecting the frequency scaling factor for simultaneously optimizing energy and performance,
161    while taking into account the communication time.
162 \item Adapting our scaling factor to take into account the imbalanced tasks.
163 \item The execution time of our algorithm is very small when compared to other
164   methods (e.g.,~\cite{19}).
165 \item The proposed algorithm works online without profiling or training as
166   in~\cite{38,34}.
167 \end{enumerate}
168 \section{Execution and Energy of Parallel Tasks on Homogeneous Platform} 
169 \label{sec.exe}
170
171 \subsection{Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform}
172 A homogeneous cluster consists of identical nodes in terms of hardware and software. 
173 Each node has its own memory and at least one processor which can
174 be a multi-core. The nodes are connected via a high bandwidth network. Tasks
175 executed on this model can be either synchronous or asynchronous. In this paper
176 we consider execution of the synchronous tasks on distributed homogeneous
177 platform. These tasks can exchange the data via synchronous message passing.
178 \begin{figure*}[t]
179   \centering
180   \subfloat[Sync. Imbalanced Communications]{\includegraphics[scale=0.67]{commtasks}\label{fig:h1}}
181   \subfloat[Sync. Imbalanced Computations]{\includegraphics[scale=0.67]{compt}\label{fig:h2}}
182   \caption{Parallel Tasks on Homogeneous Platform}
183   \label{fig:homo}
184 \end{figure*}
185 Therefore, the execution time of a task consists of the computation time and the
186 communication time. Moreover, the synchronous communications between tasks can
187 lead to idle time while tasks wait at the synchronization barrier for other tasks to
188 finish their communications (see figure~(\ref{fig:h1})). The imbalanced communications 
189 happen when nodes have to send/receive different amount of data or each node is communicates 
190 with different number of nodes. Another source for idle times is the imbalanced computations.  
191 This happens when processing different amounts of data on each processor  (see figure~(\ref{fig:h2})).  
192 In this case the fastest tasks have to wait at the synchronization barrier for the 
193 slowest tasks to finish their job. In both cases the overall execution time 
194 of the program is the execution time of the slowest task as: 
195 \begin{equation}
196   \label{eq:T1}
197   \textit{Program Time} = \max_{i=1,2,\dots,N} T_i
198 \end{equation}
199 where $T_i$ is the execution time of task $i$.
200
201 \subsection{Energy Model for Homogeneous Platform}
202
203 The energy consumption by the processor consists of two power metrics: the
204 dynamic and the static power. This general power formulation is used by many
205 researchers~\cite{9,3,15,26}. The dynamic power of the CMOS processors
206 $P_{dyn}$ is related to the switching activity $\alpha$, load capacitance $C_L$,
207 the supply voltage $V$ and operational frequency $f$ respectively as follow:
208 \begin{equation}
209   \label{eq:pd}
210   P_\textit{dyn} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot f
211 \end{equation}
212 The static power $P_{static}$ captures the leakage power consumption as well as
213 the power consumption of peripheral devices like the I/O subsystem.
214 \begin{equation}
215   \label{eq:ps}
216    P_\textit{static}  = V \cdot N \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
217 \end{equation}
218 where V is the supply voltage, N is the number of transistors, $K_{design}$ is a
219 design dependent parameter and $I_{leak}$ is a technology-dependent
220 parameter. Energy consumed by an individual processor $E_{ind}$ is the summation
221 of the dynamic and the static power multiplied by the execution time~\cite{36,15}.
222 \begin{equation}
223   \label{eq:eind}
224    E_\textit{ind} = ( P_\textit{dyn} + P_\textit{static} ) \cdot T
225 \end{equation}
226 The dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) is a process that is allowed in
227 modern processors to reduce the dynamic power by scaling down the voltage and
228 frequency. Its main objective is to reduce the overall energy
229 consumption~\cite{37}. The operational frequency \emph f depends linearly on the
230 supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot f$ with some constant $\beta$. This
231 equation is used to study the change of the dynamic voltage with respect to
232 various frequency values in~\cite{3}. The reduction process of the frequency are
233 expressed by the scaling factor \emph S. This scaling factor is the ratio between the
234 maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
235 \begin{equation}
236   \label{eq:s}
237  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
238 \end{equation}
239 The value of the scale $S$ is greater than 1 when changing the frequency to any
240 new frequency value~(\emph {P-state}) in governor, the CPU governor is an
241 interface driver supplied by the operating system kernel (e.g. Linux) to
242 lowering core's frequency.  The scaling factor is equal to 1 when the new frequency is 
243 set to the maximum frequency.   The energy model
244 depending on the frequency scaling factor for homogeneous platform for any
245 number of concurrent tasks was developed by Rauber and Rünger~\cite{3}. This
246 model considers the two power metrics for measuring the energy of the parallel
247 tasks as in EQ~(\ref{eq:energy}). This factor reduces
248 quadratically the dynamic power.  Also, it increases the static energy
249 linearly because the execution time is increased~\cite{36}.
250 \begin{equation}
251   \label{eq:energy}
252   E = P_\textit{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
253     \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^2} \right) +
254     P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N
255  \hfill
256 \end{equation}
257 where \emph N is the number of parallel nodes, $T_1 $ is the time of the slowest
258 task, $T_i$ is the time of the task $i$ and $S_1$ is the maximum scaling factor
259 for the slower task. The scaling factor $S_1$, as in EQ~(\ref{eq:s1}), selects
260 from the set of scales values $S_i$. Each of these scales are proportional to
261 the time value $T_i$ depends on the new frequency value as in EQ~(\ref{eq:si}).
262 \begin{equation}
263   \label{eq:s1}
264   S_1 = \max_{i=1,2,\dots,N} S_i
265 \end{equation}
266 \begin{equation}
267   \label{eq:si}
268   S_i = S \cdot \frac{T_1}{T_i}
269       = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}} \cdot \frac{T_1}{T_i}
270 \end{equation}
271 where $N$ is the number of nodes. In this paper we depend on
272 Rauber and Rünger energy model EQ~(\ref{eq:energy}) for two reasons: (1) this
273 model is used for homogeneous platform that we work on in this paper, and (2) we
274 compare our algorithm with Rauber and Rünger scaling model.  Rauber and Rünger
275 scaling factor that reduce energy consumption derived from the
276 EQ~(\ref{eq:energy}). They take the derivation for this equation (to be
277 minimized) and set it to zero to produce the scaling factor as in
278 EQ~(\ref{eq:sopt}).
279 \begin{equation}
280   \label{eq:sopt}
281   S_\textit{opt} = \sqrt[3]{\frac{2}{N} \cdot \frac{P_\textit{dyn}}{P_\textit{static}} \cdot
282     \left( 1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^3} \right) }
283 \end{equation}
284
285 \section{Performance Evaluation of MPI Programs}
286 \label{sec.mpip}
287
288 The performance (execution time) of  parallel MPI applications depends on
289 the time of the slowest task as in figure~(\ref{fig:homo}). Normally the
290 execution time of the parallel programs are proportional to the operational
291 frequency. Therefore, any DVFS operation for the energy reduction increases the
292 execution time of the parallel program. As shown in EQ~(\ref{eq:energy}) the
293 energy is affected by the scaling factor $S$. This factor also has a great impact
294 on the performance. When scaling down the frequency to the new value according
295 to EQ~(\ref{eq:s}), the value of the scale $S$ has inverse relation with
296 new frequency value ($S \propto \frac{1}{F_{new}}$). Also when decreasing the
297 frequency value, the execution time increases. Then the new frequency value has
298 inverse relation with time ($F_{new} \propto \frac{1}{T}$). This leads to the
299 frequency scaling factor $S$ proportional linearly with execution time ($S
300 \propto T$). Large scale MPI applications such as NAS benchmarks have
301 considerable amount of communications embedded in these programs. During the
302 communication process the processors remain idle until the communication has
303 finished. For that reason any change in the frequency has no impact on the time
304 of communication but it has obvious impact on the time of
305 computation~\cite{17}. To predict the execution time of MPI program, the communication time and 
306 the computation time for the slower task must be first precisely specified. Secondly, 
307 these times are used to predict the execution time for any MPI program as a function of 
308 the new scaling factor as in EQ~(\ref{eq:tnew}).
309 \begin{equation}
310   \label{eq:tnew}
311  \textit  T_\textit{New} = T_\textit{Max Comp Old} \cdot S + T_{\textit{Max Comm Old}}
312 \end{equation}
313 The above equation shows that the scaling factor \emph S has linear relation
314 with the computation time without affecting the communication time. The
315 communication time consists of the beginning times which an MPI calls for
316 sending or receiving till the message is synchronously sent or received. In this
317 paper we predict the execution time of the program for any new scaling factor
318 value. Depending on this prediction we can produce our energy-performance scaling
319 method as we will show in the coming sections. In section~\ref{sec.expe} we make an
320 investigation study for EQ~(\ref{eq:tnew}).
321
322
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 time for both computation and communication times. The relation
330 between the energy and the performance are 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}. The relation between the energy and the performance
333 is not straightforward. Moreover, they are not measured using the same metric.
334 For solving this problem, we normalize the energy by calculating the ratio
335 between the consumed energy with scaled frequency and the consumed energy
336 without scaled frequency:
337 \begin{multline}
338   \label{eq:enorm}
339   E_\textit{Norm} = \frac{ E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
340         {} = \frac{P_\textit{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
341                \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
342                P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N  }{
343               P_\textit{dyn} \cdot \left(T_1+\sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
344               P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot N }
345 \end{multline}
346 By the same way we can normalize the performance as follows:
347 \begin{equation}
348   \label{eq:pnorm}
349   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}
350           = \frac{T_\textit{Max Comp Old} \cdot S +
351            T_\textit{Max Comm Old}}{ T_\textit{Old}}
352 \end{equation}
353 The second problem is 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 optimize 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 Relation of Energy and Performance }
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 $S_j$. This represent
387 the minimum energy consumption with minimum execution time (better performance)
388 in 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   S_\textit{optimal} = \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 the
396 EQ~(\ref{eq:max}).  Our objective function can works 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 function has a convex form with frequency scaling
399 factor as shown in~\cite{15,3,19}. Energy measurement model is not the
400 objective of this paper and we choose Rauber and Rünger model as an example with two
401 reasons that mentioned before.
402
403 \section{Optimal Scaling Factor for Performance and Energy}
404 \label{sec.optim}
405
406 In the previous section we described the objective function that satisfy our
407 goal in discovering optimal scaling factor for both performance and energy at
408 the same time. Therefore, we develop an energy to performance scaling algorithm
409 (EPSA). This algorithm is simple and has a direct way to calculate the optimal
410 scaling factor for both energy and performance at the same time.
411 \begin{algorithm}[tp]
412   \caption{EPSA}
413   \label{EPSA}
414   \begin{algorithmic}[1]
415     \State  Initialize the variable $Dist=0$
416     \State Set dynamic and static power values.
417     \State Set $P_{states}$ to the number of available frequencies.
418     \State Set the variable $F_{new}$ to max. frequency,  $F_{new} = F_{max} $
419     \State Set the variable $F_{diff}$ to the scale value between each two frequencies.
420     \For {$J:=1$   to   $P_{states} $}
421       \State - Calculate the new frequency as $F_{new}=F_{new} - F_{diff} $
422       \State - Calculate the scale factor $S$ as in EQ~(\ref{eq:s}).
423       \State - Calculate all available scales $S_i$  depend on $S$ as\par\hspace{1 pt} in EQ~(\ref{eq:si}).
424       \State - Select the maximum scale factor $S_1$ from the set\par\hspace{1 pt} of scales $S_i$.
425       \State - Calculate the normalize energy $E_{Norm}=E_{R}/E_{O}$ 
426                \par\hspace{1 pt}  as in EQ~(\ref{eq:enorm}).
427       \State - Calculate the normalize inverse of performance\par\hspace{1 pt}
428                $P_{NormInv}=T_{old}/T_{new}$ as in EQ~(\ref{eq:pnorm_en}).
429       \If{  $(P_{NormInv}-E_{Norm} > Dist$) }
430         \State $S_{optimal} = S$
431         \State $Dist = P_{NormInv} - E_{Norm}$
432       \EndIf
433     \EndFor
434     \State  Return $S_{optimal}$
435   \end{algorithmic}
436 \end{algorithm}
437 The proposed EPSA algorithm works online during the execution time of the MPI
438 program. This algorithm has small execution time
439 (between 0.00152 $ms$ for 4 nodes to 0.00665 $ms$ for 32 nodes). The algorithm complexity is O(F$\cdot$N), 
440 where F is the number of available frequencies and N is the number of computing nodes. It selects the optimal scaling factor by gathering the computation and communication times 
441 from the program after one iteration. 
442 When these times are measured, the MPI program calls the EPSA algorithm to choose the new frequency using the
443 optimal scaling factor. Then the program changes the new frequency of the system. The algorithm is called  just one time during the execution of the program. The DVFS algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the EPSA algorithm is called in the MPI program.
444 %\begin{minipage}{\textwidth}
445 %\AG{Use the same format as for Algorithm~\ref{$EPSA$}}
446
447 \begin{algorithm}[tp]
448   \caption{DVFS}
449   \label{dvfs}
450   \begin{algorithmic}[1]
451  \For {$K:=1$ to $Some-Iterations \; $}
452   \State -Computations Section.
453    \State -Communications Section.
454    \If {$(K=1)$} 
455      \State -Gather all times of computation and\par\hspace{13 pt} communication from each node.
456      \State -Call EPSA with these times.
457      \State -Calculate the new frequency from optimal scale.
458      \State -Change the new frequency of the system.
459    \EndIf
460 \EndFor
461 \end{algorithmic}
462 \end{algorithm}
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  EQ~(\ref{eq:s}) in 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_\textit{max} \cdot T_i}{S_\textit{optimal} \cdot T_\textit{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 \label{sec.expe}
478 Our experiments are executed on the simulator SimGrid/SMPI
479 v3.10. We design a platform file that simulates a cluster with one core per
480 node. This cluster is a homogeneous architecture with distributed memory. The
481 detailed characteristics of our platform file are shown in the
482 table~(\ref{table:platform}).
483 Each node in the cluster has 18 frequency values
484 from 2.5 GHz to 800 MHz with 100 MHz difference between each two successive
485 frequencies. Each core simulates the real Intel core i5-3210M processor. 
486 This processor has frequencies from 2.5 GHz to 1.2 GHz with 100 MHz difference between each two successive 
487 frequencies. We increased this range to verify the EPSA algorithm takes small execution 
488 time while it has a big number of available frequencies. The simulated network link is 1 GB Ethernet (TCP/IP). 
489 The backbone of the cluster simulates a high performance switch.
490 \begin{table}[htb]
491   \caption{SimGrid Platform File Parameters}
492   % title of Table
493   \centering
494   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
495     \hline
496     Max & Min & Backbone & Backbone&Link &Link& Sharing  \\
497     Freq. & Freq. & Bandwidth & Latency & Bandwidth& Latency&Policy  \\ \hline
498     \np{2.5} & \np{800} & \np[GBps]{2.25} &\np[$\mu$s]{0.5}& \np[GBps]{1} & \np[$\mu$s]{50} &Full  \\
499     GHz& MHz&  & & &  &Duplex  \\\hline
500   \end{tabular}
501   \label{table:platform}
502 \end{table}
503 \subsection{Performance Prediction Verification}
504
505 In this section we evaluate the precision of our performance prediction methods
506 on the NAS benchmarks. We use EQ~(\ref{eq:tnew}) that predicts the execution
507 time for any scale value. The NAS programs run the class B for comparing the
508 real execution time with the predicted execution time. Each program runs offline
509 with all available scaling factors on 8 or 9 nodes to produce real execution
510 time values. These scaling factors are computed by dividing the maximum
511 frequency by the new one see EQ~(\ref{eq:s}). 
512 \begin{figure*}[t]
513   \centering
514   \includegraphics[width=.4\textwidth]{cg_per.eps}\qquad%
515   \includegraphics[width=.4\textwidth]{mg_pre.eps}
516   \includegraphics[width=.4\textwidth]{bt_pre.eps}\qquad%
517   \includegraphics[width=.4\textwidth]{lu_pre.eps}
518   \caption{Fitting Predicted to Real Execution Time}
519   \label{fig:pred}
520 \end{figure*}
521 %see Figure~\ref{fig:pred}
522 In our cluster there are 18 available frequency states for each processor. 
523 This lead to 18 run states for each program. We use seven MPI programs of the
524  NAS parallel benchmarks: CG, MG, EP, FT, BT, LU
525 and SP. The average normalized errors between the predicted execution time and
526 the real time (SimGrid time) for all programs is between 0.0032 to 0.0133. AS an
527 example, we present the execution times of the NAS benchmarks as in the
528 figure~(\ref{fig:pred}).
529
530 \subsection{The EPSA Results}
531 The proposed EPSA algorithm was applied to seven MPI programs of the NAS
532 benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP). We work on three classes (A, B and
533 C) for each program. Each program runs on specific number of processors
534 proportional to the size of the class.  Each class represents the problem size
535 ascending from the class A to C. Additionally, depending on some speed up points
536 for each class we run the classes A, B and C on 4, 8 or 9 and 16 nodes
537 respectively. 
538 Depending on EQ~(\ref{eq:energy}), we measure the energy consumption for all
539 the NAS MPI programs while assuming the power dynamic is equal to \np[W]{20} and
540 the power static is equal to \np[W]{4} for all experiments. These power values 
541 used by Rauber and Rünger~\cite{3}.  We run the proposed EPSA
542 algorithm for all these programs. The results showed that the algorithm selected
543 different scaling factors for each program depending on the communication
544 features of the program as in the figure~(\ref{fig:nas}). This figure shows that
545 there are different distances between the normalized energy and the normalized
546 inversed performance curves, because there are different communication features
547 for each MPI program.  When there are little or not communications, the inversed
548 performance curve is very close to the energy curve. Then the distance between
549 the two curves is very small. This leads to small energy savings. The opposite
550 happens when there are a lot of communication, the distance between the two
551 curves is big.  This leads to more energy savings (e.g. CG and FT), see
552 table~(\ref{table:factors results}). All discovered frequency scaling factors
553 optimize both the energy and the performance simultaneously for all the NAS
554 programs. In table~(\ref{table:factors results}), we record all optimal scaling
555 factors results for each program on class C. These factors give the maximum
556 energy saving percent and the minimum performance degradation percent in the
557 same time over all available scales.
558 \begin{figure*}[t]
559   \centering
560   \includegraphics[width=.33\textwidth]{ep.eps}\hfill%
561   \includegraphics[width=.33\textwidth]{cg.eps}\hfill%
562   \includegraphics[width=.33\textwidth]{sp.eps}
563   \includegraphics[width=.33\textwidth]{lu.eps}\hfill%
564   \includegraphics[width=.33\textwidth]{bt.eps}\hfill%
565   \includegraphics[width=.33\textwidth]{ft.eps}
566   \caption{The Discovered  scaling factors for NAS MPI Programs}
567   \label{fig:nas}
568 \end{figure*}
569 \begin{table}[htb]
570   \caption{The EPSA Scaling Factors Results}
571   % title of Table
572   \centering
573   \begin{tabular}{|l|*{4}{r|}}
574     \hline
575     Program & Optimal & Energy  & Performance&Energy-Perf.\\
576     Name & Scaling Factor& Saving \%&Degradation \% &Distance  \\ \hline
577     CG & 1.56 &39.23&14.88 &24.35\\ \hline
578     MG & 1.47 &34.97&21.70 &13.27 \\ \hline
579     EP & 1.04 &22.14&20.73 &1.41\\ \hline
580     LU & 1.38 &35.83&22.49 &13.34\\ \hline
581     BT & 1.31 &29.60&21.28 &8.32\\ \hline
582     SP & 1.38 &33.48&21.36 &12.12\\ \hline
583     FT & 1.47 &34.72&19.00 &15.72\\ \hline
584   \end{tabular} 
585   \label{table:factors results}
586   % is used to refer this table in the text
587 \end{table}
588 As shown in the table~(\ref{table:factors results}), when the optimal scaling
589 factor has big value we can gain more energy savings for example as in CG and
590 FT. The opposite happens when the optimal scaling factor is small value as
591 example BT and EP. Our algorithm selects big scaling factor value when the
592 communication and the other slacks times are big and smaller ones in opposite
593 cases. In EP there are no communications inside the iterations. This make our
594 EPSA to selects smaller scaling factor values (inducing smaller energy savings).
595
596 \subsection{Comparing Results}
597
598 In this section, we compare our EPSA algorithm results with Rauber and Rünger
599 methods~\cite{3}. They had two scenarios, the first is to reduce energy to
600 optimal level without considering the performance as in EQ~(\ref{eq:sopt}). We
601 refer to this scenario as $R_{E}$. The second scenario is similar to the first
602 except setting the slower task to the maximum frequency (when the scale $S=1$)
603 to keep the performance from degradation as mush as possible. We refer to this
604 scenario as $R_{E-P}$. The comparison is made in tables~(\ref{table:compare
605   Class A},\ref{table:compare Class B},\ref{table:compare Class C}). These
606 tables show the results of our EPSA and Rauber and Rünger scenarios for all the
607 NAS benchmarks programs for classes A,B and C.
608 \begin{table}[p]
609   \caption{Comparing Results for  The NAS Class A}
610   % title of Table
611   \centering
612   \begin{tabular}{|l|l|*{4}{r|}}
613     \hline
614     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
615     Name &Name&Value& Saving \%&Degradation \% &Distance
616     \\ \hline
617     % \rowcolor[gray]{0.85}
618     $EPSA$&CG & 1.56 &37.02 & 13.88 & 23.14\\ \hline
619     $R_{E-P}$&CG &2.14 &42.77 & 25.27 & 17.50\\ \hline
620     $R_{E}$&CG &2.14 &42.77&26.46&16.31\\ \hline
621
622     $EPSA$&MG & 1.47 &27.66&16.82&10.84\\ \hline
623     $R_{E-P}$&MG &2.14&34.45&31.84&2.61\\ \hline
624     $R_{E}$&MG &2.14&34.48&33.65&0.80 \\ \hline
625
626     $EPSA$&EP &1.19 &25.32&20.79&4.53\\ \hline
627     $R_{E-P}$&EP&2.05&41.45&55.67&-14.22\\ \hline
628     $R_{E}$&EP&2.05&42.09&57.59&-15.50\\ \hline
629
630     $EPSA$&LU&1.56& 39.55 &19.38& 20.17\\ \hline
631     $R_{E-P}$&LU&2.14&45.62&27.00&18.62 \\ \hline
632     $R_{E}$&LU&2.14&45.66&33.01&12.65\\ \hline
633
634     $EPSA$&BT&1.31& 29.60&20.53&9.07 \\ \hline
635     $R_{E-P}$&BT&2.10&45.53&49.63&-4.10\\ \hline
636     $R_{E}$&BT&2.10&43.93&52.86&-8.93\\ \hline
637
638     $EPSA$&SP&1.38& 33.51&15.65&17.86 \\ \hline
639     $R_{E-P}$&SP&2.11&45.62&42.52&3.10\\ \hline
640     $R_{E}$&SP&2.11&45.78&43.09&2.69\\ \hline
641
642     $EPSA$&FT&1.25&25.00&10.80&14.20 \\ \hline
643     $R_{E-P}$&FT&2.10&39.29&34.30&4.99 \\ \hline
644     $R_{E}$&FT&2.10&37.56&38.21&-0.65\\ \hline
645   \end{tabular}
646   \label{table:compare Class A}
647   % is used to refer this table in the text
648 \end{table}
649 \begin{table}[p]
650   \caption{Comparing Results for The NAS Class B}
651   % title of Table
652   \centering
653   \begin{tabular}{|l|l|*{4}{r|}}
654     \hline
655     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
656     Name &Name&Value& Saving \%&Degradation \% &Distance
657     \\ \hline
658     % \rowcolor[gray]{0.85}
659     $EPSA$&CG & 1.66 &39.23&16.63&22.60   \\ \hline
660     $R_{E-P}$&CG &2.15 &45.34&27.60&17.74\\ \hline
661     $R_{E}$&CG &2.15 &45.34&28.88&16.46\\ \hline
662
663     $EPSA$ &MG & 1.47 &34.98&18.35&16.63\\ \hline
664     $R_{E-P}$&MG &2.14&43.55&36.42&7.13 \\ \hline
665     $R_{E}$&MG &2.14&43.56&37.07&6.49 \\ \hline
666
667     $EPSA$&EP &1.08 &20.29&17.15&3.14 \\ \hline
668     $R_{E-P}$&EP&2.00&42.38&56.88&-14.50\\ \hline
669     $R_{E}$&EP&2.00&39.73&59.94&-20.21\\ \hline
670
671     $EPSA$&LU&1.47&38.57&21.34&17.23 \\ \hline
672     $R_{E-P}$&LU&2.10&43.62&36.51&7.11 \\ \hline
673     $R_{E}$&LU&2.10&43.61&38.54&5.07 \\ \hline
674
675     $EPSA$&BT&1.31& 29.59&20.88&8.71\\ \hline
676     $R_{E-P}$&BT&2.10&44.53&53.05&-8.52\\ \hline
677     $R_{E}$&BT&2.10&42.93&52.80&-9.87\\ \hline
678
679     $EPSA$&SP&1.38&33.44&19.24&14.20 \\ \hline
680     $R_{E-P}$&SP&2.15&45.69&43.20&2.49\\ \hline
681     $R_{E}$&SP&2.15&45.41&44.47&0.94\\ \hline
682
683     $EPSA$&FT&1.38&34.40&14.57&19.83 \\ \hline
684     $R_{E-P}$&FT&2.13&42.98&37.35&5.63 \\ \hline
685     $R_{E}$&FT&2.13&43.04&37.90&5.14\\ \hline
686   \end{tabular}
687   \label{table:compare Class B}
688   % is used to refer this table in the text
689 \end{table}
690
691 \begin{table}[p]
692   \caption{Comparing Results for The NAS Class C}
693   % title of Table
694   \centering
695   \begin{tabular}{|l|l|*{4}{r|}}
696     \hline
697     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
698     Name &Name&Value& Saving \%&Degradation \% &Distance
699     \\ \hline
700     % \rowcolor[gray]{0.85}
701     $EPSA$&CG & 1.56 &39.23&14.88&24.35  \\ \hline
702     $R_{E-P}$&CG &2.15 &45.36&25.89&19.47\\ \hline
703     $R_{E}$&CG &2.15 &45.36&26.70&18.66\\ \hline
704
705     $EPSA$&MG & 1.47 &34.97&21.69&13.27\\ \hline
706     $R_{E-P}$&MG &2.15&43.65&40.45&3.20 \\ \hline
707     $R_{E}$&MG &2.15&43.64&41.38&2.26 \\ \hline
708
709     $EPSA$&EP &1.04 &22.14&20.73&1.41 \\ \hline
710     $R_{E-P}$&EP&1.92&39.40&56.33&-16.93\\ \hline
711     $R_{E}$&EP&1.92&38.10&56.35&-18.25\\ \hline
712
713     $EPSA$&LU&1.38&35.83&22.49&13.34 \\ \hline
714     $R_{E-P}$&LU&2.15&44.97&41.00&3.97 \\ \hline
715     $R_{E}$&LU&2.15&44.97&41.80&3.17 \\ \hline
716
717     $EPSA$&BT&1.31& 29.60&21.28&8.32\\ \hline
718     $R_{E-P}$&BT&2.13&45.60&49.84&-4.24\\ \hline
719     $R_{E}$&BT&2.13&44.90&55.16&-10.26\\ \hline
720
721     $EPSA$&SP&1.38&33.48&21.35&12.12\\ \hline
722     $R_{E-P}$&SP&2.10&45.69&43.60&2.09\\ \hline
723     $R_{E}$&SP&2.10&45.75&44.10&1.65\\ \hline
724
725     $EPSA$&FT&1.47&34.72&19.00&15.72 \\ \hline
726     $R_{E-P}$&FT&2.04&39.40&37.10&2.30\\ \hline
727     $R_{E}$&FT&2.04&39.35&37.70&1.65\\ \hline
728   \end{tabular}
729 \label{table:compare Class C}
730 % is used to refer this table in the text
731 \end{table}
732 As shown in these tables our scaling factor is not optimal for energy saving
733 such as Rauber and Rünger scaling factor EQ~(\ref{eq:sopt}), but it is optimal for both
734 the energy and the performance simultaneously. Our EPSA optimal scaling factors
735 has better simultaneous optimization for both the energy and the performance
736 compared to Rauber and Rünger energy-performance method ($R_{E-P}$). Also, in
737 ($R_{E-P}$) method when setting the frequency to maximum value for the
738 slower task lead to a small improvement of the performance. Also the results
739 show that this method keep or improve energy saving. Because of the energy
740 consumption decrease when the execution time decreased while the frequency value
741 increased.
742 \begin{figure}[t]
743   \centering
744   \includegraphics[width=.33\textwidth]{compare_class_A.pdf}
745   \includegraphics[width=.33\textwidth]{compare_class_B.pdf}
746   \includegraphics[width=.33\textwidth]{compare_class_c.pdf}
747   \caption {Comparing Our EPSA with Rauber and Rünger Methods}
748   \label{fig:compare}
749 \end{figure}
750 Figure~(\ref{fig:compare}) shows the maximum distance between the energy saving
751 percent and the performance degradation percent. Therefore, this means it is the
752 same resultant of our objective function EQ~(\ref{eq:max}). Our algorithm always
753 gives positive energy to performance trade offs while Rauber and Rünger method
754 ($R_{E-P}$) gives in some time negative trade offs such as in BT and
755 EP. The positive trade offs with highest values lead to maximum energy savings
756 concatenating with less performance degradation and this the objective of this
757 paper. While the negative trade offs refers to improving energy saving (or may
758 be the performance) while degrading the performance (or may be the energy) more
759 than the first.
760
761 \section{Conclusion}
762 \label{sec.concl}
763 In this paper we developed the simultaneous energy-performance algorithm. It works based on the trade off relation between the energy and performance. The results showed that when the scaling factor is big value refer to more energy saving. Also, when the scaling factor is smaller value, then it has bigger impact on performance than energy. The algorithm optimizes the energy saving and performance in the same time to have positive trade off. The optimal trade off represents the maximum distance between the energy and the inversed performance curves. Also, the results explained when setting the slowest task to maximum frequency usually not have a big improvement on performance. In future, we will apply the EPSA algorithm on heterogeneous platform.
764
765 \section*{Acknowledgment}
766 Computations have been performed on the supercomputer facilities of the
767 Mésocentre de calcul de Franche-Comté.
768 As a PhD student, M. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
769 Babylon (Iraq) for supporting his work.
770
771
772 % trigger a \newpage just before the given reference
773 % number - used to balance the columns on the last page
774 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
775 % the document is modified later
776 %\IEEEtriggeratref{15}
777
778 \bibliographystyle{IEEEtran}
779 \bibliography{IEEEabrv,my_reference}
780 \end{document}
781
782 %%% Local Variables:
783 %%% mode: latex
784 %%% TeX-master: t
785 %%% fill-column: 80
786 %%% ispell-local-dictionary: "american"
787 %%% End:
788
789 %  LocalWords:  Fanfakh Charr FIXME Tianhe DVFS HPC NAS NPB SMPI Rauber's Rauber
790 %  LocalWords:  CMOS EQ EPSA Franche Comté Tflop Rünger