]> AND Private Git Repository - mpi-energy.git/blob - paper.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
Improve typesetting of equations.
[mpi-energy.git] / paper.tex
1 \documentclass[12pt]{article}
2 %\documentclass[12pt,twocolumn]{article}
3
4 \usepackage[T1]{fontenc}
5 \usepackage[utf8]{inputenc}
6 \usepackage[english]{babel}
7 \usepackage{algorithm,algorithmicx,algpseudocode}
8 \usepackage{graphicx,graphics}
9 \usepackage{subfig}
10 \usepackage{listings}
11 \usepackage{colortbl}
12 \usepackage{amsmath}
13 % \usepackage{sectsty}
14 % \usepackage{titlesec}
15 % \usepackage{secdot}
16 %\usepackage[font={footnotesize,bt}]{caption}
17 %\usepackage[font=scriptsize,labelfont=bf]{caption}
18 \usepackage{lmodern}
19
20 \usepackage{todonotes}
21 \newcommand{\AG}[2][inline]{\todo[color=green!50,#1]{\sffamily\small\textbf{AG:} #2}}
22
23 \begin{document}
24
25 \title{Optimal Dynamic Frequency Scaling for Energy-Performance of Parallel MPI Programs}
26 \author{A. Badri \and J.-C. Charr \and R. Couturier \and A. Giersch}
27 \maketitle
28
29 \section{Introduction}
30
31 The need for computing power is still increasing and it is not expected to slow
32 down in the coming years. To satisfy this demand, researchers and supercomputers
33 constructors have been regularly increasing the number of computing cores in
34 supercomputers (for example in November 2013, according to the top 500
35 list~\cite{43}, the Tianhe-2 was the fastest supercomputer. It has more than 3
36 millions of cores and delivers more than 33 Tflop/s while consuming 17808
37 kW). This large increase in number of computing cores has led to large energy
38 consumption by these architectures. Moreover, the price of energy is expected to
39 continue its ascent according to the demand. For all these reasons energy
40 reduction became an important topic in the high performance computing field. To
41 tackle this problem, many researchers used DVFS (Dynamic Voltage Frequency
42 Scaling) operations which reduce dynamically the frequency and voltage of cores
43 and thus their energy consumption. However, this operation also degrades the
44 performance of computation. Therefore researchers try to reduce the frequency to
45 minimum when processors are idle (waiting for data from other processors or
46 communicating with other processors). Moreover, depending on their objectives
47 they use heuristics to find the best scaling factor during the computation. If
48 they aim for performance they choose the best scaling factor that reduces the
49 consumed energy while affecting as little as possible the performance. On the
50 other hand, if they aim for energy reduction, the chosen scaling factor must
51 produce the most energy efficient execution without considering the degradation
52 of the performance. It is important to notice that lowering the frequency to
53 minimum value does not always give the most efficient execution due to energy
54 leakage. The best scaling factor might be chosen during execution (online) or
55 during a pre-execution phase.  In this paper we emphasize to develop an
56 algorithm that selects the optimal frequency scaling factor that takes into
57 consideration simultaneously the energy consumption and the performance. The
58 main objective of HPC systems is to run the application with less execution
59 time. Therefore, our algorithm selects the optimal scaling factor online with
60 very small footprint. The proposed algorithm takes into account the
61 communication times of the MPI programs to choose the scaling factor. This
62 algorithm has ability to predict both energy consumption and execution time over
63 all available scaling factors.  The prediction achieved depends on some
64 computing time information, gathered at the beginning of the runtime.  We apply
65 this algorithm to seven MPI benchmarks. These MPI programs are the NAS parallel
66 penchmarks (NPB v3.3) developed by NASA~\cite{44}. Our experiments are executed
67 using the simulator Simgrid/SMPI v3.10~\cite{45} over an homogeneous distributed
68 memory architecture. Furthermore, we compare the proposed algorithm with
69 Rauber's methods. The comparison's results show that our algorithm gives better
70 energy-time trade off.
71
72 \section{Related Works}
73
74 In the this section some heuristics, to compute the scaling factor, are
75 presented and classified in two parts : offline and online methods.
76
77 \subsection{The offline DVFS orientations}
78
79 The DVFS offline methods are static and are not executed during the runtime of
80 the program. Some approaches used heuristics to select the best DVFS state
81 during the compilation phases as an example in Azevedo et al.~\cite{40}. He used
82 intra-task algorithm to choose the DVFS setting when there are dependency points
83 between tasks. While in~\cite{29}, Xie et al. used breadth-first search
84 algorithm to do that. Their goal is saving energy with time limits. Another
85 approaches gathers and stores the runtime information for each DVFS state , then
86 used their methods offline to select the suitable DVFS that optimize energy-time
87 trade offs. As an example~\cite{8}, Rountree et al. used liner programming
88 algorithm, while in~\cite{38,34}, Cochran et al. used multi logistic regression
89 algorithm for the same goal. The offline study that shown the DVFS impact on the
90 communication time of the MPI program is~\cite{17}, Freeh et al. show that these
91 times not changed when the frequency is scaled down.
92
93 \subsection{The online DVFS orientations}
94
95 The objective of these works is to dynamically compute and set the frequency of
96 the CPU during the runtime of the program for saving energy. Estimating and
97 predicting approaches for the energy-time trade offs developed by
98 ~\cite{11,2,31}. These works select the best DVFS setting depending on the slack
99 times. These times happen when the processors have to wait for data from other
100 processors to compute their task. For example, during the synchronous
101 communication time that take place in the MPI programs, the processors are
102 idle. The optimal DVFS can be selected using the learning methods. Therefore, in
103 ~\cite{39,19} used machine learning to converge to the suitable DVFS
104 configuration. Their learning algorithms have big time to converge when the
105 number of available frequencies is high. Also, the communication time of the MPI
106 program used online for saving energy as in~\cite{1}, Lim et al. developed an
107 algorithm that detects the communication sections and changes the frequency
108 during these sections only. This approach changes the frequency many times
109 because an iteration may contain more than one communication section. The domain
110 of analytical modeling used for choosing the optimal frequency as in ~\cite{3},
111 Rauber et al. developed an analytical mathematical model for determining the
112 optimal frequency scaling factor for any number of concurrent tasks, without
113 considering communication times. They set the slowest task to maximum frequency
114 for maintaining performance.  In this paper we compare our algorithm with
115 Rauber's model~\cite{3}, because his model can be used for any number of
116 concurrent tasks for homogeneous platform and this is the same direction of this
117 paper.  However, the primary contributions of this paper are:
118 \begin{enumerate}
119 \item Selecting the optimal frequency scaling factor for energy and performance
120   simultaneously. While taking into account the communication time.
121 \item Adapting our scale factor to taking into account the imbalanced tasks.
122 \item The execution time of our algorithm is very small when compared to other
123   methods (e.g.,~\cite{19}).
124 \item The proposed algorithm works online without profiling or training as
125   in~\cite{38,34}.
126 \end{enumerate}
127
128 \section{Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform}
129
130 A homogeneous cluster consists of identical nodes in terms of the hardware and
131 the software. Each node has its own memory and at least one processor which can
132 be a multi-core. The nodes are connected via a high bandwidth network. Tasks
133 executed on this model can be either synchronous or asynchronous. In this paper
134 we consider execution of the synchronous tasks on distributed homogeneous
135 platform. These tasks can exchange the data via synchronous memory passing.
136 \begin{figure}[h]
137   \centering
138   \subfloat[Synch. Imbalanced Communications]{\includegraphics[scale=0.67]{synch_tasks}\label{fig:h1}}
139   \subfloat[Synch. Imbalanced Computations]{\includegraphics[scale=0.67]{compt}\label{fig:h2}}
140   \caption{Parallel Tasks on Homogeneous Platform}
141   \label{fig:homo}
142 \end{figure}
143 Therefore, the execution time of a task consists of the computation time and the
144 communication time. Moreover, the synchronous communications between tasks can
145 lead to idle time while tasks wait at the synchronous point for others tasks to
146 finish their communications see figure~(\ref{fig:h1}).  Another source for idle
147 times is the imbalanced computations. This happen when processing different
148 amounts of data on each processor as an example see figure~(\ref{fig:h2}). In
149 this case the fastest tasks have to wait at the synchronous barrier for the
150 slowest tasks to finish their job. In both two cases the overall execution time
151 of the program is the execution time of the slowest task as :
152 \begin{equation}
153   \label{eq:T1}
154   \textit{Program Time} = \max_{i=1,2,\dots,N} T_i
155 \end{equation}
156 where $T_i$ is the execution time of process $i$.
157
158 \section{Energy Model for Homogeneous Platform}
159
160 The energy consumption by the processor consists of two powers metric: the
161 dynamic and the static power. This general power formulation is used by many
162 researchers see ~\cite{9,3,15,26}. The dynamic power of the CMOS processors
163 $P_{dyn}$ is related to the switching activity $\alpha$, load capacitance $C_L$,
164 the supply voltage $V$ and operational frequency $f$ respectively as follow :
165 \begin{equation}
166   \label{eq:pd}
167   P_{dyn} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot f
168 \end{equation}
169 The static power $P_{static}$ captures the leakage power consumption as well as
170 the power consumption of peripheral devices like the I/O subsystem.
171 \begin{equation}
172   \label{eq:ps}
173   P_{static}  = V \cdot N \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
174 \end{equation}
175 where V is the supply voltage, N is the number of transistors, $K_{design}$ is a
176 design dependent parameter and $I_{leak}$ is a technology-dependent
177 parameter. Energy consumed by an individual processor $E_{ind}$ is the summation
178 of the dynamic and the static power multiply by the execution time for example
179 see~\cite{36,15} .
180 \begin{equation}
181   \label{eq:eind}
182   E_{ind} = ( P_{dyn} + P_{static} ) \cdot T
183 \end{equation}
184 The dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) is a process that allowed in
185 modern processors to reduce the dynamic power by scaling down the voltage and
186 frequency. Its main objective is to reduce the overall energy
187 consumption~\cite{37}. The operational frequency \emph f depends linearly on the
188 supply voltage $V$, i.e., $V = \beta . f$ with some constant $\beta$. This
189 equation is used to study the change of the dynamic voltage with respect to
190 various frequency values in~\cite{3}. The reduction process of the frequency are
191 expressed by scaling factor \emph S. The scale \emph S is the ratio between the
192 maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
193 \begin{equation}
194   \label{eq:s}
195   S = \frac{F_{max}}{F_{new}}
196 \end{equation}
197 The value of the scale \emph S is grater than 1 when changing the frequency to
198 any new frequency value(\emph {P-state}) in governor. It is equal to 1 when the
199 frequency are set to the maximum frequency.  The energy consumption model for
200 parallel homogeneous platform is depending on the scaling factor \emph S. This
201 factor reduces quadratically the dynamic power.  Also, this factor increases the
202 static energy linearly because the execution time is increased~\cite{36}.  The
203 energy model, depending on the frequency scaling factor, of homogeneous platform
204 for any number of concurrent tasks develops by Rauber~\cite{3}. This model
205 consider the two powers metric for measuring the energy of the parallel tasks as
206 in EQ~(\ref{eq:energy}).
207
208 \begin{equation}
209   \label{eq:energy}
210   E = P_{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
211     \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^2} \right) +
212     P_{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N
213  \hfill
214 \end{equation}
215 Where \emph N is the number of parallel nodes, $T_1 $ is the time of the slower
216 task, $T_i$ is the time of the task $i$ and $S_1$ is the maximum scaling factor
217 for the slower task. The scaling factor $S_1$, as in EQ~(\ref{eq:s1}), selects
218 from the set of scales values $S_i$. Each of these scales are proportional to
219 the time value $T_i$ depends on the new frequency value as in EQ~(\ref{eq:si}).
220 \begin{equation}
221   \label{eq:s1}
222   S_1 = \max_{i=1,2,\dots,F} S_i
223 \end{equation}
224 \begin{equation}
225   \label{eq:si}
226   S_i = S \cdot \frac{T_1}{T_i}
227       = \frac{F_{max}}{F_{new}} \cdot \frac{T_1}{T_i}
228 \end{equation}
229 Where $F$ is the number of available frequencies. In this paper we depend on
230 Rauber's energy model EQ~(\ref{eq:energy}) for two reasons : 1-this model used
231 for homogeneous platform that we work on in this paper. 2-we are compare our
232 algorithm with Rauber's scaling model.  Rauber's optimal scaling factor for
233 optimal energy reduction derived from the EQ~(\ref{eq:energy}). He takes the
234 derivation for this equation (to be minimized) and set it to zero to produce the
235 scaling factor as in EQ~(\ref{eq:sopt}).
236 \begin{equation}
237   \label{eq:sopt}
238   S_{opt} = \sqrt[3]{\frac{2}{n} \cdot \frac{P_{dyn}}{P_{static}} \cdot
239     \left( 1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^3} \right) }
240 \end{equation}
241
242 \section{Performance Evaluation of MPI Programs}
243
244 The performance (execution time) of the parallel MPI applications are depends on
245 the time of the slowest task as in figure~(\ref{fig:homo}). Normally the
246 execution time of the parallel programs are proportional to the operational
247 frequency. Therefore, any DVFS operation for the energy reduction increase the
248 execution time of the parallel program. As shown in EQ~(\ref{eq:energy}) the
249 energy affected by the scaling factor $S$. This factor also has a great impact
250 on the performance. When scaling down the frequency to the new value according
251 to EQ(~\ref{eq:s}) lead to the value of the scale $S$ has inverse relation with
252 new frequency value ($S \propto \frac{1}{F_{new}}$). Also when decrease the
253 frequency value, the execution time increase. Then the new frequency value has
254 inverse relation with time ($F_{new} \propto \frac{1}{T}$). This lead to the
255 frequency scaling factor $S$ proportional linearly with execution time ($S
256 \propto T$). Large scale MPI applications such as NAS benchmarks have
257 considerable amount of communications embedded in these programs. During the
258 communication process the processor remain idle until the communication has
259 finished. For that reason any change in the frequency has no impact on the time
260 of communication but it has obvious impact on the time of
261 computation~\cite{17}. We are made many tests on real cluster to prove that the
262 frequency scaling factor \emph S has a linear relation with computation time
263 only also see~\cite{41}. To predict the execution time of MPI program, firstly
264 must be precisely specifying communication time and the computation time for the
265 slower task. Secondly, we use these times for predicting the execution time for
266 any MPI program as a function of the new scaling factor as in the
267 EQ~(\ref{eq:tnew}).
268 \begin{equation}
269   \label{eq:tnew}
270   T_{new} = T_{\textit{Max Comp Old}} \cdot S + T_{\textit{Max Comm Old}}
271 \end{equation}
272 The above equation shows that the scaling factor \emph S has linear relation
273 with the computation time without affecting the communication time. The
274 communication time consists of the beginning times which an MPI calls for
275 sending or receiving till the message is synchronously sent or received. In this
276 paper we predict the execution time of the program for any new scaling factor
277 value. Depending on this prediction we can produce our energy-performace scaling
278 method as we will show in the coming sections. In the next section we make an
279 investigation study for the EQ~(\ref{eq:tnew}).
280
281 \section{Performance Prediction Verification}
282
283 In this section we evaluate the precision of our performance prediction methods
284 on the NAS benchmark. We use the EQ~(\ref{eq:tnew}) that predicts the execution
285 time for any scale value. The NAS programs run the class B for comparing the
286 real execution time with the predicted execution time. Each program runs offline
287 with all available scaling factors on 8 or 9 nodes to produce real execution
288 time values. These scaling factors are computed by dividing the maximum
289 frequency by the new one see EQ~(\ref{eq:s}). In all tests, we use the simulator
290 Simgrid/SMPI v3.10 to run the NAS programs.
291 \begin{figure}[width=\textwidth,height=\textheight,keepaspectratio]
292   \centering
293   \includegraphics[scale=0.60]{cg_per.eps}
294   \includegraphics[scale=0.60]{mg_pre.eps}
295   \includegraphics[scale=0.60]{bt_pre.eps}
296   \includegraphics[scale=0.60]{lu_pre.eps}
297   \caption{Fitting Predicted to Real Execution Time}
298   \label{fig:pred}
299 \end{figure}
300 %see Figure~\ref{fig:pred}
301 In our cluster there are 18 available frequency states for each processor from
302 2.5 GHz to 800 MHz, there is 100 MHz difference between two successive
303 frequencies. For more details on the characteristics of the platform refer to
304 table~(\ref{table:platform}). This lead to 18 run states for each program. We
305 use seven MPI programs of the NAS parallel benchmarks : CG, MG, EP, FT, BT, LU
306 and SP. The average normalized errors between the predicted execution time and
307 the real time (Simgrid time) for all programs is between 0.0032 to 0.0133. AS an
308 example, we are present the execution times of the NAS benchmarks as in the
309 figure~(\ref{fig:pred}).
310
311 \section{Performance to Energy Competition}
312 This section demonstrates our approach for choosing the optimal scaling
313 factor. This factor gives maximum energy reduction taking into account the
314 execution time for both computation and communication times . The relation
315 between the energy and the performance are nonlinear and complex, because the
316 relation of the energy with scaling factor is nonlinear and with the performance
317 it is linear see~\cite{17}. The relation between the energy and the performance
318 is not straightforward. Moreover, they are not measured using the same metric.
319 For solving this problem, we normalize the energy by calculating the ratio
320 between the consumed energy with scaled frequency and the consumed energy
321 without scaled frequency :
322 \begin{equation}
323   \label{eq:enorm}
324   E_{Norm} = \frac{E_{Reduced}}{E_{Orginal}}
325           = \frac{ P_{dyn} \cdot S_i^{-2} \cdot
326                \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
327                P_{static} \cdot T_1 \cdot S_i \cdot N  }{
328               P_{dyn} \cdot \left(T_1+\sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
329               P_{static} \cdot T_1\, \cdot N }
330 \end{equation}
331 By the same way we can normalize the performance as follows :
332 \begin{equation}
333   \label{eq:pnorm}
334   P_{Norm} = \frac{T_{New}}{T_{Old}}
335           = \frac{T_{\textit{Max Comp Old}} \cdot S +
336               T_{\textit{Max Comm Old}}}{T_{Old}}
337 \end{equation}
338 The second problem is the optimization operation for both energy and performance
339 is not in the same direction. In other words, the normalized energy and the
340 performance curves are not in the same direction see figure~(\ref{fig:r2}).
341 While the main goal is to optimize the energy and performance in the same
342 time. According to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}) the
343 scaling factor \emph S reduce both the energy and the performance
344 simultaneously. But the main objective is to produce maximum energy reduction
345 with minimum performance reduction. Many researchers used different strategies
346 to solve this nonlinear problem for example see~\cite{19,42}, their methods add
347 big overhead to the algorithm for selecting the suitable frequency. In this
348 paper we are present a method to find the optimal scaling factor \emph S for
349 optimize both energy and performance simultaneously without adding big
350 overheads.  Our solution for this problem is to make the optimization process
351 have the same direction. Therefore, we inverse the equation of normalize
352 performance as follows :
353 \begin{equation}
354   \label{eq:pnorm_en}
355   P^{-1}_{Norm} = \frac{T_{Old}}{T_{New}}
356                = \frac{T_{Old}}{T_{\textit{Max Comp Old}} \cdot S +
357                  T_{\textit{Max Comm Old}}}
358 \end{equation}
359 \begin{figure}
360   \centering
361   \subfloat[Converted Relation.]{\includegraphics[scale=0.70]{file.eps}\label{fig:r1}}
362   \subfloat[Real Relation.]{\includegraphics[scale=0.70]{file3.eps}\label{fig:r2}}
363   \label{fig:rel}
364   \caption{The Energy and Performance Relation}
365 \end{figure}
366 Then, we can modelize our objective function as finding the maximum distance
367 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the inverse of performance
368 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_en}) over all available scaling factors. This represent
369 the minimum energy consumption with minimum execution time (better performance)
370 in the same time, see figure~(\ref{fig:r1}). Then our objective function has the
371 following form:
372 \begin{equation}
373   \label{eq:max}
374   \textit{MaxDist} = \max (\overbrace{P^{-1}_{Norm}}^{\text{Maximize}} -
375                            \overbrace{E_{Norm}}^{\text{Minimize}} )
376 \end{equation}
377 Then we can select the optimal scaling factor that satisfy the
378 EQ~(\ref{eq:max}).  Our objective function can works with any energy model or
379 static power values stored in a data file. Moreover, this function works in
380 optimal way when the energy function has a convex form with frequency scaling
381 factor as shown in ~\cite{15,3,19}. Energy measurement model is not the
382 objective of this paper and we choose Rauber's model as an example with two
383 reasons that mentioned before.
384
385 \section{Optimal Scaling Factor for Performance and Energy}
386
387 In the previous section we described the objective function that satisfy our
388 goal in discovering optimal scaling factor for both performance and energy at
389 the same time. Therefore, we develop an energy to performance scaling algorithm
390 (EPSA). This algorithm is simple and has a direct way to calculate the optimal
391 scaling factor for both energy and performance at the same time.
392 \begin{algorithm}[t]
393   \caption{EPSA}
394   \label{EPSA}
395   \begin{algorithmic}[1]
396     \State  Initialize the variable $Dist=0$
397     \State Set dynamic and static power values.
398     \State Set $P_{states}$ to the number of available frequencies.
399     \State Set the variable $F_{new}$ to max. frequency,  $F_{new} = F_{max} $
400     \State Set the variable $F_{diff}$ to the scale value between each two frequencies.
401     \For {$i=1$   to   $P_{states} $}
402       \State - Calculate the new frequency as $F_{new}=F_{new} - F_{diff} $
403       \State - Calculate the scale factor $S$ as in EQ~(\ref{eq:s}).
404       \State - Calculate all available scales $S_i$  depend on $S$ as in EQ~(\ref{eq:si}).
405       \State - Select the maximum scale factor $S_1$ from the set of scales $S_i$.
406       \State - Calculate the normalize energy $E_{Norm}=E_{R}/E_{O}$ as in EQ~(\ref{eq:enorm}).
407       \State - Calculate the normalize inverse of performance\par
408                $P_{NormInv}=T_{old}/T_{new}$ as in EQ~(\ref{eq:pnorm_en}).
409       \If{  $(P_{NormInv}-E_{Norm} > Dist$) }
410         \State $S_{optimal} = S$
411         \State $Dist = P_{NormInv} - E_{Norm}$
412       \EndIf
413     \EndFor
414     \State  $ Return \; \;  (S_{optimal})$
415   \end{algorithmic}
416 \end{algorithm}
417 The proposed EPSA algorithm works online during the execution time of the MPI
418 program. It selects the optimal scaling factor by gathering some information
419 from the program after one iteration. This algorithm has small execution time
420 (between 0.00152 $ms$ for 4 nodes to 0.00665 $ms$ for 32 nodes). The data
421 required by this algorithm is the computation time and the communication time
422 for each task from the first iteration only. When these times are measured, the
423 MPI program calls the EPSA algorithm to choose the new frequency using the
424 optimal scaling factor. Then the program set the new frequency to the
425 system. The algorithm is called just one time during the execution of the
426 program. The following example shows where and when the EPSA algorithm is called
427 in the MPI program :
428 \begin{minipage}{\textwidth}
429 \begin{lstlisting}[frame=tb]
430 FOR J:=1 to Some_iterations Do
431    -Computations Section.
432    -Communications Section.
433    IF (J==1) THEN
434      -Gather all times of computation and communication
435       from each node.
436      -Call EPSA with these times.
437      -Calculate the new frequency from optimal scale.
438      -Set the new frequency to the system.
439    ENDIF
440 ENDFOR
441 \end{lstlisting}
442 \end{minipage}
443 After obtaining the optimal scale factor from the EPSA algorithm. The program
444 calculates the new frequency $F_i$ for each task proportionally to its time
445 value $T_i$. By substitution of the EQ~(\ref{eq:s}) in the EQ~(\ref{eq:si}), we
446 can calculate the new frequency $F_i$ as follows :
447 \begin{equation}
448   \label{eq:fi}
449   F_i = \frac{F_{max} \cdot T_i}{S_{optimal} \cdot T_{max}}
450 \end{equation}
451 According to this equation all the nodes may have the same frequency value if
452 they have balanced workloads. Otherwise, they take different frequencies when
453 have imbalanced workloads. Then EQ~(\ref{eq:fi}) works in adaptive way to change
454 the freguency according to the nodes workloads.
455
456 \section{Experimental Results}
457
458 The proposed ESPA algorithm was applied to seven MPI programs of the NAS
459 benchmarks (EP ,CG , MG ,FT , BT, LU and SP). We work on three classes (A, B and
460 C) for each program. Each program runs on specific number of processors
461 proportional to the size of the class.  Each class represents the problem size
462 ascending from the class A to C. Additionally, depending on some speed up points
463 for each class we run the classes A, B and C on 4, 8 or 9 and 16 nodes
464 respectively. Our experiments are executed on the simulator Simgrid/SMPI
465 v3.10. We design a platform file that simulates a cluster with one core per
466 node. This cluster is a homogeneous architecture with distributed memory. The
467 detailed characteristics of our platform file are shown in
468 thetable~(\ref{table:platform}). Each node in the cluster has 18 frequency
469 values from 2.5 GHz to 800 MHz with 100 MHz difference between each two
470 successive frequencies.
471 \begin{table}[ht]
472   \caption{Platform File Parameters}
473   % title of Table
474   \centering
475   \begin{tabular}{ | l | l | l |l | l |l |l |  p{2cm} |}
476     \hline
477     Max & Min & Backbone & Backbone&Link &Link& Sharing  \\
478     Freq. & Freq. & Bandwidth & Latency & Bandwidth& Latency&Policy  \\ \hline
479     2.5 &800 & 2.25 GBps &5E-7 s & 1 GBps & 5E-5 s&Full  \\
480     GHz& MHz&  & & &  &Duplex  \\\hline
481   \end{tabular}
482   \label{table:platform}
483 \end{table}
484 Depending on the EQ~(\ref{eq:energy}), we measure the energy consumption for all
485 the NAS MPI programs while assuming the power dynamic is equal to 20W and the
486 power static is equal to 4W for all experiments. We run the proposed ESPA
487 algorithm for all these programs. The results showed that the algorithm selected
488 different scaling factors for each program depending on the communication
489 features of the program as in the figure~(\ref{fig:nas}). This figure shows that
490 there are different distances between the normalized energy and the normalized
491 inversed performance curves, because there are different communication features
492 for each MPI program.  When there are little or not communications, the inversed
493 performance curve is very close to the energy curve. Then the distance between
494 the two curves is very small. This lead to small energy savings. The opposite
495 happens when there are a lot of communication, the distance between the two
496 curves is big.  This lead to more energy savings (e.g. CG and FT), see
497 table~(\ref{table:factors results}). All discovered frequency scaling factors
498 optimize both the energy and the performance simultaneously for all the NAS
499 programs. In table~(\ref{table:factors results}), we record all optimal scaling
500 factors results for each program on class C. These factors give the maximum
501 energy saving percent and the minimum performance degradation percent in the
502 same time over all available scales.
503 \begin{figure}[width=\textwidth,height=\textheight,keepaspectratio]
504   \centering
505   \includegraphics[scale=0.47]{ep.eps}
506   \includegraphics[scale=0.47]{cg.eps}
507   \includegraphics[scale=0.47]{sp.eps}
508   \includegraphics[scale=0.47]{lu.eps}
509   \includegraphics[scale=0.47]{bt.eps}
510   \includegraphics[scale=0.47]{ft.eps}
511   \caption{Optimal scaling factors for The NAS MPI Programs}
512   \label{fig:nas}
513 \end{figure}
514 \begin{table}[width=\textwidth,height=\textheight,keepaspectratio]
515   \caption{Optimal Scaling Factors Results}
516   % title of Table
517   \centering
518   \begin{tabular}{ | l | l | l |l | l | p{2cm} |}
519     \hline
520     Program & Optimal & Energy  & Performance&Energy-Perf.\\
521     Name & Scaling Factor& Saving \%&Degradation \% &Distance  \\ \hline
522     CG & 1.56 &39.23 & 14.88 & 24.35\\ \hline
523     MG & 1.47 &34.97&21.7& 13.27   \\ \hline
524     EP & 1.04 &22.14&20.73 &1.41\\ \hline
525     LU & 1.388 &35.83&22.49 &13.34\\ \hline
526     BT & 1.315 &29.6&21.28 &8.32\\ \hline
527     SP & 1.388 &33.48 &21.36&12.12\\ \hline
528     FT & 1.47 &34.72 &19&15.72\\ \hline
529   \end{tabular}
530   \label{table:factors results}
531   % is used to refer this table in the text
532 \end{table}
533
534 As shown in the table~(\ref{table:factors results}), when the optimal scaling
535 factor has big value we can gain more energy savings for example as in CG and
536 FT. The opposite happens when the optimal scaling factor is small value as
537 example BT and EP. Our algorithm selects big scaling factor value when the
538 communication and the other slacks times are big and smaller ones in opposite
539 cases. In EP there are no communications inside the iterations. This make our
540 EPSA to selects smaller scaling factor values (inducing smaller energy savings).
541
542 \section{Comparing Results}
543
544 In this section, we compare our EPSA algorithm results with Rauber's
545 methods~\cite{3}. He had two scenarios, the first is to reduce energy to optimal
546 level without considering the performance as in EQ~(\ref{eq:sopt}). We refer to
547 this scenario as $Rauber_{E}$. The second scenario is similar to the first
548 except setting the slower task to the maximum frequency (when the scale $S=1$)
549 to keep the performance from degradation as mush as possible. We refer to this
550 scenario as $Rauber_{E-P}$. The comparison is made in tables~(\ref{table:compare
551   Class A},\ref{table:compare Class B},\ref{table:compare Class C}). These
552 tables show the results of our EPSA and Rauber's two scenarios for all the NAS
553 benchmarks programs for classes A,B and C.
554 \begin{table}[ht]
555   \caption{Comparing Results for  The NAS Class A}
556   % title of Table
557   \centering
558   \begin{tabular}{ | l | l | l |l | l |l|  }
559     \hline
560     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
561     name &name&value& Saving \%&Degradation \% &Distance
562     \\ \hline
563     % \rowcolor[gray]{0.85}
564     EPSA&CG & 1.56 &37.02 & 13.88 & 23.14\\ \hline
565     $Rauber_{E-P}$&CG &2.14 &42.77 & 25.27 & 17.5\\ \hline
566     $Rauber_{E}$&CG &2.14 &42.77&26.46&16.31\\ \hline
567
568     EPSA&MG & 1.47 &27.66&16.82&10.84\\ \hline
569     $Rauber_{E-P}$&MG &2.14&34.45&31.84&2.61\\ \hline
570     $Rauber_{E}$&MG &2.14&34.48&33.65&0.8 \\ \hline
571
572     EPSA&EP &1.19 &25.32&20.79&4.53\\ \hline
573     $Rauber_{E-P}$&EP&2.05&41.45&55.67&-14.22\\ \hline
574     $Rauber_{E}$&EP&2.05&42.09&57.59&-15.5\\ \hline
575
576     EPSA&LU&1.56& 39.55 &19.38& 20.17\\ \hline
577     $Rauber_{E-P}$&LU&2.14&45.62&27&18.62 \\ \hline
578     $Rauber_{E}$&LU&2.14&45.66&33.01&12.65\\ \hline
579
580     EPSA&BT&1.315& 29.6&20.53&9.07 \\ \hline
581     $Rauber_{E-P}$&BT&2.1&45.53&49.63&-4.1\\ \hline
582     $Rauber_{E}$&BT&2.1&43.93&52.86&-8.93\\ \hline
583
584     EPSA&SP&1.388& 33.51&15.65&17.86 \\ \hline
585     $Rauber_{E-P}$&SP&2.11&45.62&42.52&3.1\\ \hline
586     $Rauber_{E}$&SP&2.11&45.78&43.09&2.69\\ \hline
587
588     EPSA&FT&1.25& 25&10.8&14.2 \\ \hline
589     $Rauber_{E-P}$&FT&2.1&39.29&34.3&4.99 \\ \hline
590     $Rauber_{E}$&FT&2.1&37.56&38.21&-0.65\\ \hline
591   \end{tabular}
592   \label{table:compare Class A}
593   % is used to refer this table in the text
594 \end{table}
595 \begin{table}[ht]
596   \caption{Comparing Results for The NAS Class B}
597   % title of Table
598   \centering
599   \begin{tabular}{ | l | l | l |l | l |l|  }
600     \hline
601     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
602     name &name&value& Saving \%&Degradation \% &Distance
603     \\ \hline
604     % \rowcolor[gray]{0.85}
605     EPSA&CG & 1.66 &39.23&16.63&22.6   \\ \hline
606     $Rauber_{E-P}$&CG &2.15 &45.34&27.6&17.74\\ \hline
607     $Rauber_{E}$&CG &2.15 &45.34&28.88&16.46\\ \hline
608
609     EPSA&MG & 1.47 &34.98&18.35&16.63\\ \hline
610     $Rauber_{E-P}$&MG &2.14&43.55&36.42&7.13 \\ \hline
611     $Rauber_{E}$&MG &2.14&43.56&37.07&6.49 \\ \hline
612
613     EPSA&EP &1.08 &20.29&17.15&3.14 \\ \hline
614     $Rauber_{E-P}$&EP&2&42.38&56.88&-14.5\\ \hline
615     $Rauber_{E}$&EP&2&39.73&59.94&-20.21\\ \hline
616
617     EPSA&LU&1.47&38.57&21.34&17.23 \\ \hline
618     $Rauber_{E-P}$&LU&2.1&43.62&36.51&7.11 \\ \hline
619     $Rauber_{E}$&LU&2.1&43.61&38.54&5.07 \\ \hline
620
621     EPSA&BT&1.315& 29.59&20.88&8.71\\ \hline
622     $Rauber_{E-P}$&BT&2.1&44.53&53.05&-8.52\\ \hline
623     $Rauber_{E}$&BT&2.1&42.93&52.806&-9.876\\ \hline
624
625     EPSA&SP&1.388&33.44&19.24&14.2 \\ \hline
626     $Rauber_{E-P}$&SP&2.15&45.69&43.2&2.49\\ \hline
627     $Rauber_{E}$&SP&2.15&45.41&44.47&0.94\\ \hline
628
629     EPSA&FT&1.388&34.4&14.57&19.83 \\ \hline
630     $Rauber_{E-P}$&FT&2.13&42.98&37.35&5.63 \\ \hline
631     $Rauber_{E}$&FT&2.13&43.04&37.9&5.14\\ \hline
632   \end{tabular}
633   \label{table:compare Class B}
634   % is used to refer this table in the text
635 \end{table}
636
637 \begin{table}[ht]
638   \caption{Comparing Results for The NAS Class C}
639   % title of Table
640   \centering
641   \begin{tabular}{ | l | l | l |l | l |l|  }
642     \hline
643     Method&Program&Factor& Energy& Performance &Energy-Perf.\\
644     name &name&value& Saving \%&Degradation \% &Distance
645     \\ \hline
646     % \rowcolor[gray]{0.85}
647     EPSA&CG & 1.56 &39.23&14.88&24.35  \\ \hline
648     $Rauber_{E-P}$&CG &2.15 &45.36&25.89&19.47\\ \hline
649     $Rauber_{E}$&CG &2.15 &45.36&26.7&18.66\\ \hline
650
651     EPSA&MG & 1.47 &34.97&21.697&13.273\\ \hline
652     $Rauber_{E-P}$&MG &2.15&43.65&40.45&3.2 \\ \hline
653     $Rauber_{E}$&MG &2.15&43.64&41.38&2.26 \\ \hline
654
655     EPSA&EP &1.04 &22.14&20.73&1.41 \\ \hline
656     $Rauber_{E-P}$&EP&1.92&39.4&56.33&-16.93\\ \hline
657     $Rauber_{E}$&EP&1.92&38.1&56.35&-18.25\\ \hline
658
659     EPSA&LU&1.388&35.83&22.49&13.34 \\ \hline
660     $Rauber_{E-P}$&LU&2.15&44.97&41&3.97 \\ \hline
661     $Rauber_{E}$&LU&2.15&44.97&41.8&3.17 \\ \hline
662
663     EPSA&BT&1.315& 29.6&21.28&8.32\\ \hline
664     $Rauber_{E-P}$&BT&2.13&45.6&49.84&-4.24\\ \hline
665     $Rauber_{E}$&BT&2.13&44.9&55.16&-10.26\\ \hline
666
667     EPSA&SP&1.388&33.48&21.35&12.12\\ \hline
668     $Rauber_{E-P}$&SP&2.1&45.69&43.6&2.09\\ \hline
669     $Rauber_{E}$&SP&2.1&45.75&44.1&1.65\\ \hline
670
671     EPSA&FT&1.47&34.72&19&15.72 \\ \hline
672     $Rauber_{E-P}$&FT&2.04&39.4&37.1&2.3\\ \hline
673     $Rauber_{E}$&FT&2.04&39.35&37.7&1.65\\ \hline
674   \end{tabular}
675 \label{table:compare Class C}
676 % is used to refer this table in the text
677 \end{table}
678 As shown in these tables our scaling factor is not optimal for energy saving
679 such as Rauber's scaling factor EQ~(\ref{eq:sopt}), but it is optimal for both
680 the energy and the performance simultaneously. Our EPSA optimal scaling factors
681 has better simultaneous optimization for both the energy and the performance
682 compared to Rauber's energy-performance method ($Rauber_{E-P}$). Also, in
683 ($Rauber_{E-P}$) method when setting the frequency to maximum value for the
684 slower task lead to a small improvement of the performance. Also the results
685 show that this method keep or improve energy saving. Because of the energy
686 consumption decrease when the execution time decreased while the frequency value
687 increased.
688
689 Figure~(\ref{fig:compare}) shows the maximum distance between the energy saving
690 percent and the performance degradation percent. Therefore, this means it is the
691 same resultant of our objective function EQ~(\ref{eq:max}). Our algorithm always
692 gives positive energy to performance trade offs while Rauber's method
693 ($Rauber_{E-P}$) gives in some time negative trade offs such as in BT and
694 EP. The positive trade offs with highest values lead to maximum energy savings
695 concatenating with less performance degradation and this the objective of this
696 paper. While the negative trade offs refers to improving energy saving (or may
697 be the performance) while degrading the performance (or may be the energy) more
698 than the first.
699 \begin{figure}[width=\textwidth,height=\textheight,keepaspectratio]
700   \centering
701   \includegraphics[scale=0.60]{compare_class_A.pdf}
702   \includegraphics[scale=0.60]{compare_class_B.pdf}
703   \includegraphics[scale=0.60]{compare_class_c.pdf}
704   % use scale 35 for all to be in the same line
705   \caption{Comparing Our EPSA with Rauber's Methods}
706   \label{fig:compare}
707 \end{figure}
708
709 \bibliographystyle{plain}
710 \bibliography{my_reference}
711 \end{document}
712
713 %%% Local Variables:
714 %%% mode: latex
715 %%% TeX-master: t
716 %%% fill-column: 80
717 %%% ispell-local-dictionary: "american"
718 %%% End: