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1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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26   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{JC:} #2}\xspace}
27
28 \begin{document}
29
30 \title{Dynamic Frequency Scaling for Energy Consumption
31   Reduction in Synchronous Distributed Applications}
32
33 \author{%
34   \IEEEauthorblockN{%
35     Jean-Claude Charr,
36     Raphaël Couturier,
37     Ahmed Fanfakh and
38     Arnaud Giersch
39   }
40   \IEEEauthorblockA{%
41     FEMTO-ST Institute\\
42     University of Franche-Comté\\
43     IUT de Belfort-Montbéliard,
44     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
45     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
46     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
47     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
48    }
49   }
50
51 \maketitle
52
53 \begin{abstract}
54   Dynamic Voltage Frequency Scaling (DVFS) can be applied to modern CPUs.  This
55   technique is usually used to reduce the energy consumed by a CPU while
56   computing.  Thus, decreasing the frequency
57   reduces the power consumed by the CPU.  However, it can also significantly
58   affect the performance of the executed program if it is compute bound and if a
59   low CPU frequency is selected.  Therefore, the chosen scaling factor must
60   give the best possible trade-off between energy reduction and performance.
61
62   In this paper we present an algorithm that predicts the energy consumed with
63   each frequency gear and selects the one that gives the best ratio between
64   energy consumption reduction and performance.  This algorithm works online
65   without training or profiling and has a very small overhead.  It also takes
66   into account synchronous communications between the nodes that are executing
67   the distributed algorithm.  The algorithm has been evaluated over the SimGrid
68   simulator while being applied to the NAS parallel benchmark programs.  The
69   results of the experiments show that it outperforms other existing scaling
70   factor selection algorithms.
71 \end{abstract}
72
73 \section{Introduction}
74 \label{sec.intro}
75
76 The need and demand for more computing power have been increasing since the
77 birth of the first computing unit and it is not expected to slow down in the
78 coming years.  To satisfy this demand, researchers and supercomputers
79 constructors have been regularly increasing the number of computing cores and
80 processors in supercomputers (for example in November 2013, according to the
81 TOP500 list~\cite{43}, the Tianhe-2 was the fastest supercomputer.  It has more
82 than 3 million of cores and delivers more than \np[Tflop/s]{33} while consuming
83 \np[kW]{17808}).  This large increase in number of computing cores has led to
84 large energy consumption by these architectures.  Moreover, the price of energy
85 is expected to continue its ascent according to the demand.  For all these
86 reasons energy reduction has become an important topic in the high performance
87 computing field.  To tackle this problem, many researchers use DVFS (Dynamic
88 Voltage Frequency Scaling) operations which reduce dynamically the frequency and
89 voltage of cores and thus their energy consumption.  Indeed, modern CPUs offer a
90 set of acceptable frequencies which are usually called gears, and the user or
91 the operating system can modify the frequency of the processor according to its
92 needs.  However, DVFS also degrades the performance of computation.  Therefore
93 researchers try to reduce the frequency to the minimum when processors are idle
94 (waiting for data from other processors or communicating with other processors).
95 Moreover, depending on their objectives, they use heuristics to find the best
96 scaling factor during the computation.  If they aim for performance they choose
97 the best scaling factor that reduces the consumed energy while affecting as
98 little as possible the performance.  On the other hand, if they aim for energy
99 reduction, the chosen scaling factor must produce the most energy efficient
100 execution without considering the degradation of the performance.  It is
101 important to notice that lowering the frequency to the minimum value does not always
102 give the most energy efficient execution due to energy leakage.  The best
103 scaling factor might be chosen during execution (online) or during a
104 pre-execution phase.  In this paper, we present an algorithm that selects a
105 frequency scaling factor that simultaneously takes into consideration the energy
106 consumption by the CPU and the performance of the application.  The main
107 objective of HPC systems is to execute as fast as possible the application.
108 Therefore, our algorithm selects the scaling factor online with very small
109 overhead.  The proposed algorithm takes into account the communication times of
110 the MPI program to choose the scaling factor.  This algorithm has the ability to
111 predict both energy consumption and execution time over all available scaling
112 factors.  The prediction achieved depends on some computing time information,
113 gathered at the beginning of the runtime.  We apply this algorithm to the NAS parallel benchmarks (NPB v3.3)~\cite{44}.  Our experiments are executed using the simulator
114 SimGrid/SMPI v3.10~\cite{Casanova:2008:SGF:1397760.1398183} over an homogeneous
115 distributed memory architecture.  Furthermore, we compare the proposed algorithm
116 with Rauber and Rünger methods~\cite{3}.  The comparison's results show that our
117 algorithm gives better energy-time trade-off.
118
119 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
120 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe}  presents an energy
121 model for homogeneous platforms.  Section~\ref{sec.mpip} describes how the
122 performance of MPI programs can be predicted.  Section~\ref{sec.compet} presents
123 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
124 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
125 Section~\ref{sec.optim} details the proposed energy-performance algorithm.
126 Section~\ref{sec.expe} verifies the accuracy of the performance prediction model
127 and presents the results of the proposed algorithm.  It also shows the
128 comparison results between our method and other existing methods.  Finally, we
129 conclude in Section~\ref{sec.concl} with a summary and some future works.
130
131 \section{Related works}
132 \label{sec.relwork}
133
134
135 In this section, some heuristics to compute the scaling factor are presented and
136 classified into two categories: offline and online methods.
137
138 \subsection{Offline scaling factor selection methods}
139
140 The offline scaling factor selection methods are executed before the runtime of
141 the program.  They return static scaling factor values to the processors
142 participating in the execution of the parallel program.  On the one hand, the
143 scaling factor values could be computed based on information retrieved by
144 analyzing the code of the program and the computing system that will execute it.
145 In~\cite{40}, Azevedo et al. detect during compilation the dependency points
146 between tasks in a multi-task program.  This information is then used to lower
147 the frequency of some processors in order to eliminate slack times.  A slack
148 time is the period of time during which a processor that has already finished
149 its computation, has to wait for a set of processors to finish their
150 computations and send their results to the waiting processor in order to
151 continue its task that is dependent on the results of computations being
152 executed on other processors.  Freeh et al. showed in~\cite{17} that the
153 communication times of MPI programs do not change when the frequency is scaled
154 down.  On the other hand, some offline scaling factor selection methods use the
155 information gathered from previous full or partial executions of the program. The whole program or, a 
156 part of it,  is usually executed over all the available frequency
157 gears and the execution time and the energy consumed with each frequency
158 gear are measured.  Then a heuristic or an exact method uses the retrieved
159 information to compute the values of the scaling factor for the processors.
160 In~\cite{8} , Rountree et al. use a linear programming algorithm, while in~\cite{34}, Cochran et
161 al. use a multi-logistic regression algorithm for the same goal.  The main
162 drawback of these methods is that they all require executing the
163 whole program or, a part of it, on all frequency gears for each new instance of the same program.
164
165 \subsection{Online scaling factor selection methods}
166
167 The online scaling factor selection methods are executed during the runtime of
168 the program.  They are usually integrated into iterative programs where the same
169 block of instructions is executed many times.  During the first few iterations,
170 a lot of information is measured such as the execution time, the energy consumed
171 using a multimeter, the slack times, \dots{} Then a method will exploit these
172 measurements to compute the scaling factor values for each processor.  This
173 operation, measurements and computing new scaling factor, can be repeated as
174 much as needed if the iterations are not regular. Peraza, Yu-Liang et
175 al.~\cite{2,31} used varied heuristics to select the appropriate scaling
176 factor values to eliminate the slack times during runtime.  However, as seen
177 in~\cite{19}, machine learning method takes a lot of time to converge
178 when the number of available gears is big.  To reduce the impact of slack times,
179 in~\cite{1}, Lim et al. developed an algorithm that detects the communication
180 sections and changes the frequency during these sections only.  This approach
181 might change the frequency of each processor many times per iteration if an
182 iteration contains more than one communication section.  In~\cite{3}, Rauber and
183 Rünger used an analytical model that can predict the consumed energy for every frequency gear after measuring the consumed energy. They
184 maintain the performance as mush as possible by setting the highest frequency gear to the slowest task. 
185
186 The primary contribution of 
187 our paper is to present a new online scaling factor selection method which has the
188  following characteristics:\\
189 1) It is based on Rauber and Rünger analytical model to predict the energy
190   consumption of the application with different frequency gears. 
191 2) It selects the frequency scaling factor for simultaneously optimizing
192   energy reduction and maintaining performance. 
193 3) It is well adapted to distributed architectures because it takes into
194   account the communication time. 
195 4) It is well adapted to distributed applications with imbalanced tasks.
196 5) It has a very small overhead when compared to other methods
197   (e.g.,~\cite{19}) and does not require profiling or training as
198   in~\cite{34}.
199
200
201 % \JC{The whole subsection ``Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform'',
202 %   can be deleted if we need space, we can just say we are interested in this
203 %   paper in homogeneous clusters}
204
205
206 \section{Energy model for homogeneous platform}
207 \label{sec.exe}
208 Many researchers~\cite{9,3,15,26} divide the power consumed by a processor into
209 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
210 consumed as long as the computing unit is on, the latter is only consumed during
211 computation times.  The dynamic power $P_{dyn}$ is related to the switching
212 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
213 operational frequency $f$, as shown in EQ~(\ref{eq:pd}).
214 \begin{equation}
215   \label{eq:pd}
216   P_\textit{dyn} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot f
217 \end{equation}
218 The static power $P_{static}$ captures the leakage power as follows:
219 \begin{equation}
220   \label{eq:ps}
221    P_\textit{static}  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
222 \end{equation}
223 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
224 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
225 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
226 to execute a given program can be computed as:
227 \begin{equation}
228   \label{eq:eind}
229    E_\textit{ind} =  P_\textit{dyn} \cdot T_{Comp} + P_\textit{static} \cdot T
230 \end{equation}
231 where $T$ is the execution time of the program, $T_{Comp}$ is the computation
232 time and $T_{Comp} \leq T$.  $T_{Comp}$ may be equal to $T$ if there is no
233 communication, no slack time and no synchronization.
234
235 DVFS is a process that is allowed in modern processors to reduce the dynamic
236 power by scaling down the voltage and frequency.  Its main objective is to
237 reduce the overall energy consumption~\cite{37}.  The operational frequency $f$
238 depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot f$ with some
239 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
240 voltage with respect to various frequency values in~\cite{3}.  The reduction
241 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
242 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
243 \begin{equation}
244   \label{eq:s}
245  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
246 \end{equation}
247 The value of the scaling factor $S$ is greater than 1 when changing the
248 frequency of the CPU to any new frequency value~(\emph{P-state}) in the
249 governor. This factor reduces quadratically
250 the dynamic power which may cause degradation in performance and thus, the
251 increase of the static energy because the execution time is increased~\cite{36}.
252 If the tasks are sorted according to their execution times before scaling in a
253 descending order, the total energy consumption model for a parallel homogeneous
254 platform, as presented by Rauber and Rünger~\cite{3}, can be written as a
255 function of the scaling factor $S$, as in EQ~(\ref{eq:energy}).
256
257 \begin{equation}
258   \label{eq:energy}
259   E = P_\textit{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
260     \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N} \frac{T_i^3}{T_1^2} \right) +
261     P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N
262  \hfill
263 \end{equation}
264 where $N$ is the number of parallel nodes, $T_i$ for $i=1,\dots,N$ are
265 the execution times and scaling factors of the sorted tasks.  Therefore, $T1$ is
266 the time of the slowest task, and $S_1$ its scaling factor which should be the
267 highest because they are proportional to the time values $T_i$.  The scaling
268 factors are computed as in EQ~(\ref{eq:si}).
269 \begin{equation}
270   \label{eq:si}
271   S_i = S \cdot \frac{T_1}{T_i}
272       = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}} \cdot \frac{T_1}{T_i}
273 \end{equation}
274 In this paper we use Rauber and Rünger's energy model, EQ~(\ref{eq:energy}), because it can be applied to homogeneous clusters if the communication time is taken in consideration. Moreover, we compare our algorithm with Rauber and Rünger's scaling factor selection
275 method which uses the same energy model.  In their method, the optimal scaling factor is
276 computed by minimizing the derivation of EQ~(\ref{eq:energy}) which produces
277 EQ~(\ref{eq:sopt}).
278
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
286 \section{Performance evaluation of MPI programs}
287 \label{sec.mpip}
288
289 The performance (execution time) of parallel synchronous MPI applications depends
290 on the time of the slowest task.  If there is no
291 communication and the application is not data bounded, the execution time of a
292 parallel program is linearly proportional to the operational frequency and any
293 DVFS operation for energy reduction increases the execution time of the parallel
294 program.  Therefore, the scaling factor $S$ is linearly proportional to the
295 execution time.  However, in most MPI applications the processes exchange
296 data.  During these communications the processors involved remain idle until the
297 communications are finished.  For that reason, any change in the frequency has no
298 impact on the time of communication~\cite{17}.  The communication time for a
299 task is the summation of periods of time that begin with an MPI call for sending
300 or receiving a message till the message is synchronously sent or received.  To
301 be able to predict the execution time of MPI program, the communication time and
302 the computation time for the slowest task must be measured before scaling.  These
303 times are used to predict the execution time for any MPI program as a function
304 of the new scaling factor as in EQ~(\ref{eq:tnew}).
305 \begin{equation}
306   \label{eq:tnew}
307  \textit  T_\textit{new} = T_\textit{Max Comp Old} \cdot S + T_{\textit{Max Comm Old}}
308 \end{equation}
309 In this paper, this prediction method is used to select the best scaling factor
310 for each processor as presented in the next section.
311
312 \section{Performance and energy reduction trade-off}
313 \label{sec.compet}
314
315 This section presents our approach for choosing the optimal scaling factor.
316 This factor gives maximum energy reduction while taking into account the execution
317 times for both computation and communication.  The relation between the performance
318 and the energy is nonlinear and complex. Thus, unlike the relation between the performance and  the scaling factor,  the relation of energy with the scaling factor is nonlinear, for more details refer to~\cite{17}.  Moreover, they are not measured using the same metric.  To
319 solve this problem, we normalize the energy by calculating the ratio between
320 the consumed energy with scaled frequency and the consumed energy without scaled
321 frequency:
322 \begin{multline}
323   \label{eq:enorm}
324   E_\textit{Norm} = \frac{ E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
325         {} = \frac{P_\textit{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
326                \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
327                P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N  }{
328               P_\textit{dyn} \cdot \left(T_1+\sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
329               P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot N }
330 \end{multline}
331 In the same way we can normalize the performance as follows:
332 \begin{equation}
333   \label{eq:pnorm}
334   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}
335           = \frac{T_\textit{Max Comp Old} \cdot S +
336            T_\textit{Max Comm Old}}{T_\textit{Max Comp Old} +
337            T_\textit{Max Comm Old}}
338 \end{equation}
339 The second problem is that the optimization operation for both energy and
340 performance is not in the same direction.  In other words, the normalized energy
341 and the performance curves are not at the same direction see
342 Figure~(\ref{fig:r2}).  While the main goal is to optimize the energy and
343 performance in the same time.  According to the equations~(\ref{eq:enorm})
344 and~(\ref{eq:pnorm}), the scaling factor $S$ reduce both the energy and the
345 performance simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
346 reduction with minimum performance reduction.  Many researchers used different
347 strategies to solve this nonlinear problem for example see~\cite{19,42}, their
348 methods add big overheads to the algorithm to select the suitable frequency.
349 In this paper we present a method to find the optimal scaling factor $S$ to optimize both energy and performance simultaneously without adding a big
350 overhead.  Our solution for this problem is to make the optimization process
351 for energy and performance follow the same direction.  Therefore, we inverse the equation of the normalized
352 performance as follows:
353 \begin{equation}
354   \label{eq:pnorm_en}
355   P^{-1}_\textit{Norm} = \frac{ T_\textit{Old}}{ T_\textit{New}}
356                = \frac{T_\textit{Max Comp Old} +
357                  T_\textit{Max Comm Old}}{T_\textit{Max Comp Old} \cdot S +
358                  T_\textit{Max Comm Old}}
359 \end{equation}
360 \begin{figure}
361   \centering
362   \subfloat[Converted relation.]{%
363     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/file}\label{fig:r1}}%
364 %  \quad%
365   \subfloat[Real relation.]{%
366     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/file3}\label{fig:r2}}
367   \label{fig:rel}
368   \caption{The energy and performance relation}
369 \end{figure}
370 Then, we can model our objective function as finding the maximum distance
371 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the inverse of performance
372 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_en}) over all available scaling factors.  This
373 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (better
374 performance) at the same time, see Figure~(\ref{fig:r1}).  Then our objective
375 function has the following form:
376 \begin{equation}
377   \label{eq:max}
378   Max Dist = \max_{j=1,2,\dots,F}
379       (\overbrace{P^{-1}_\textit{Norm}(S_j)}^{\text{Maximize}} -
380        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_j)}^{\text{Minimize}} )
381 \end{equation}
382 where $F$ is the number of available frequencies. Then we can select the optimal
383 scaling factor that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  Our objective function can
384 work with any energy model or static power values stored in a data file.
385 Moreover, this function works in optimal way when the energy curve has a convex
386 form over the available frequency scaling factors as shown in~\cite{15,3,19}.
387
388 \section{Optimal scaling factor for performance and energy}
389 \label{sec.optim}
390
391 Algorithm~\ref{EPSA} computes the optimal scaling factor according to the
392 objective function described above.
393 \begin{algorithm}[tp]
394   \caption{Scaling factor selection algorithm}
395   \label{EPSA}
396   \begin{algorithmic}[1]
397     \State  Initialize the variable $Dist=0$
398     \State Set dynamic and static power values.
399     \State Set $P_{states}$ to the number of available frequencies.
400     \State Set the variable $F_{new}$ to max. frequency,  $F_{new} = F_{max} $
401     \State Set the variable $F_{diff}$ to the difference between two successive
402            frequencies.
403     \For {$j:=1$   to   $P_{states} $}
404       \State $F_{new}=F_{new} - F_{diff} $
405       \State $S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}$
406       \State $S_i = S \cdot \frac{T_1}{T_i}
407                   = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}} \cdot \frac{T_1}{T_i}$
408              for $i=1,\dots,N$
409       \State $E_\textit{Norm} =
410           \frac{P_\textit{dyn} \cdot S_1^{-2} \cdot
411                   \left( T_1 + \sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
412                   P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot S_1 \cdot N }{
413                 P_\textit{dyn} \cdot
414                   \left(T_1+\sum_{i=2}^{N}\frac{T_i^3}{T_1^2}\right) +
415                   P_\textit{static} \cdot T_1 \cdot N }$
416       \State $P_{NormInv}=T_{old}/T_{new}$
417       \If{$(P_{NormInv}-E_{Norm} > Dist)$}
418         \State $S_{opt} = S$
419         \State $Dist = P_{NormInv} - E_{Norm}$
420       \EndIf
421     \EndFor
422     \State  Return $S_{opt}$
423   \end{algorithmic}
424 \end{algorithm}  
425
426 The proposed algorithm works online during the execution time of the MPI
427 program.  It selects the optimal scaling factor after gathering the computation
428 and communication times from the program after one iteration.  Then the program
429 changes the new frequencies of the CPUs according to the computed scaling
430 factors. In our experiments over a  homogeneous cluster described in  section~\ref{sec.expe}, 
431 this algorithm has a small execution time. It takes \np[$\mu$s]{1.52} on average for 4 nodes and
432 \np[$\mu$s]{6.65} on average for 32 nodes.  The algorithm complexity is $O(F\cdot
433 N)$, where $F$ is the number of available frequencies and $N$ is the number of
434 computing nodes.  The algorithm is called just once during the execution of the
435 program.  The DVFS algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the algorithm is
436 called in the MPI program.
437 %\begin{table}[htb]
438 %  \caption{Platform file parameters}
439 %  % title of Table
440 %  \centering
441 %  \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
442 %    \hline
443 %    Max      & Min      & Backbone        & Backbone         & Link         & Link            & Sharing \\
444 %    Freq.    & Freq.    & Bandwidth       & Latency          & Bandwidth    & Latency         & Policy  \\
445 %    \hline
446 %    \np{2.5} & \np{800} & \np[GBps]{2.25} & \np[$\mu$s]{0.5} & \np[GBps]{1} & \np[$\mu$s]{50} & Full    \\
447 %    GHz      & MHz      &                 &                  &              &                 & Duplex  \\
448 %    \hline
449 %  \end{tabular}
450 %  \label{table:platform}
451 %\end{table}
452
453 \begin{algorithm}[tp]
454   \caption{DVFS}
455   \label{dvfs}
456   \begin{algorithmic}[1]
457     \For {$k:=1$ to \textit{some iterations}}
458       \State Computations section.
459       \State Communications section.
460       \If {$(k=1)$}
461         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
462                communication from each node.
463         \State Call algorithm~\ref{EPSA} with these times.
464         \State Compute the new frequency from the\newline\hspace*{3em}%
465               returned optimal scaling factor.
466         \State Set the new frequency to the CPU.
467       \EndIf
468     \EndFor
469   \end{algorithmic}
470 \end{algorithm}
471 After obtaining the optimal scaling factor, the program calculates the new
472 frequency $F_i$ for each task proportionally to its time value $T_i$.  By
473 substitution of EQ~(\ref{eq:s}) in EQ~(\ref{eq:si}), we can calculate the new
474 frequency $F_i$ as follows:
475 \begin{equation}
476   \label{eq:fi}
477   F_i = \frac{F_\textit{max} \cdot T_i}{S_\textit{optimal} \cdot T_\textit{max}}
478 \end{equation}
479 According to this equation all the nodes may have the same frequency value if
480 they have balanced workloads, otherwise, they take different frequencies when
481 having imbalanced workloads.  Thus, EQ~(\ref{eq:fi}) adapts the frequency of the
482 CPU to the nodes' workloads to maintain the performance of the program.
483
484 \section{Experimental results}
485 \label{sec.expe}
486 Our experiments are executed on the simulator SimGrid/SMPI v3.10.  We configure
487 the simulator to use a homogeneous cluster with one core per node.  
488 %The detailed characteristics of our platform file are shown in Table~(\ref{table:platform}).  
489 Each node in the cluster has 18 frequency values
490 from \np[GHz]{2.5} to \np[MHz]{800} with \np[MHz]{100} difference between each
491 two successive frequencies. The nodes are connected via an ethernet network with 1Gbit/s  bandwidth. 
492
493 \subsection{Performance prediction verification}
494
495 In this section we evaluate the precision of our performance prediction method
496 based on EQ~(\ref{eq:tnew}) by applying it to the NAS benchmarks.  The NAS programs
497 are executed with the class B option to compare the real execution time with
498 the predicted execution time.  Each program runs offline with all available
499 scaling factors on 8 or 9 nodes (depending on the benchmark) to produce real
500 execution time values.  These scaling factors are computed by dividing the
501 maximum frequency by the new one see EQ~(\ref{eq:s}).
502 \begin{figure}
503   \centering
504   \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/cg_per}\hfill%
505  % \includegraphics[width=.328\textwidth]{fig/mg_pre}\hfill%
506  % \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/bt_pre}\qquad%
507    \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/lu_pre}\hfill%
508   \caption{Comparing predicted to real execution times}
509   \label{fig:pred}
510 \end{figure}
511 %see Figure~\ref{fig:pred}
512 In our cluster there are 18 available frequency states for each processor.  This
513 leads to 18 run states for each program.  We use seven MPI programs of the NAS
514 parallel benchmarks: CG, MG, EP, FT, BT, LU and SP.  Figure~(\ref{fig:pred})
515 presents plots of the real execution times and the simulated ones. The maximum
516 normalized error between these two execution times varies between \np{0.0073} to
517 \np{0.031} dependent on the executed benchmark.  The smallest prediction error
518 was for CG and the worst one was for LU.
519
520 \subsection{The experimental results for the scaling algorithm }
521 The proposed algorithm was applied to seven MPI programs of the NAS benchmarks
522 (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) which were run with three classes (A, B and C).
523 For each instance the benchmarks were executed on a number of processors
524 proportional to the size of the class.  Each class represents the problem size
525 ascending from  class A to C.  Additionally, depending on some speed up
526 points for each class we run the classes A, B and C on 4, 8 or 9 and 16 nodes
527 respectively.  Depending on EQ~(\ref{eq:energy}), we measure the energy
528 consumption for all the NAS MPI programs while assuming that the dynamic power with
529 the highest frequency is equal to \np[W]{20} and the power static is equal to
530 \np[W]{4} for all experiments.  These power values were also used by Rauber and
531 Rünger in~\cite{3}.  The results showed that the algorithm selected different
532 scaling factors for each program depending on the communication features of the
533 program as in the plots~(\ref{fig:nas}).  These plots illustrate that there are
534 different distances between the normalized energy and the normalized inverted
535 performance curves, because there are different communication features for each
536 benchmark.  When there are little or no communications, the inverted
537 performance curve is very close to the energy curve.  Then the distance between
538 the two curves is very small.  This leads to small energy savings.  The opposite
539 happens when there are a lot of communication, the distance between the two
540 curves is big.  This leads to more energy savings (e.g. CG and FT), see
541 Table~(\ref{table:compareC}).  All discovered frequency scaling factors
542 optimize both the energy and the performance simultaneously for all NAS
543 benchmarks.  In Table~(\ref{table:compareC}), we record all optimal
544 scaling factors results for each benchmark running class C.  These scaling
545 factors give the maximum energy saving percentage and the minimum performance
546 degradation percentage at the same time from all available scaling factors.
547 \begin{figure*}[t]
548   \centering
549   \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/ep}\hfill%
550   \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/cg}\hfill%
551  % \includegraphics[width=.328\textwidth]{fig/sp}
552  %  \includegraphics[width=.328\textwidth]{fig/lu}\hfill%
553   \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/bt}\hfill%
554  % \includegraphics[width=.328\textwidth]{fig/ft}
555   \caption{Optimal scaling factors for the predicted energy and performance of NAS benchmarks}
556   \label{fig:nas}
557 \end{figure*}
558
559 As shown in Table~(\ref{table:compareC}), when the optimal scaling
560 factor has a big value we can gain more energy savings  as in CG and
561 FT benchmarks.  The opposite happens when the optimal scaling factor has a  
562 small value as in BT and EP benchmarks.  Our algorithm selects a big scaling 
563 factor value when the communication and the other slacks times are big and smaller 
564 ones in opposite cases.  In EP there are no communication inside the iterations.  
565 This leads our algorithm to select smaller scaling factor values (inducing smaller energy
566 savings).
567
568 \subsection{Results comparison}
569
570 In this section, we compare our scaling factor selection method with Rauber and
571 Rünger methods~\cite{3}.  They had two scenarios, the first is to reduce energy
572 to the optimal level without considering the performance as in
573 EQ~(\ref{eq:sopt}).  We refer to this scenario as $R_{E}$.  The second scenario
574 is similar to the first except setting the slower task to the maximum frequency
575 (when the scale $S=1$) to keep the performance from degradation as mush as
576 possible.  We refer to this scenario as $R_{E-P}$.  While we refer to our
577 algorithm as EPSA (Energy to Performance Scaling Algorithm).  The comparison is
578 made in Table ~\ref{table:compareC}.  This table shows the results of our method and
579 Rauber and Rünger scenarios for all the NAS benchmarks programs for class C.
580
581 \begin{table}
582   \caption{Comparing results for the NAS class C}
583   % title of Table
584   \centering
585   \begin{tabular}{|l|l|*{4}{r|}}
586     \hline
587     Method    & Program & Factor & Energy    & Performance    & Energy-Perf. \\
588     Name      & Name    & Value  & Saving \% & Degradation  \% & Distance     \\
589     \hline
590     % \rowcolor[gray]{0.85}
591     $EPSA$    & CG      & 1.56   & 39.23     & 14.88          &  24.35 \\ \hline
592     $R_{E-P}$ & CG      & 2.15   & 45.36     & 25.89          &  19.47 \\ \hline
593     $R_{E}$   & CG      & 2.15   & 45.36     & 26.70          &  18.66 \\ \hline
594
595     $EPSA$    & MG      & 1.47   & 34.97     & 21.69          &  13.27 \\ \hline
596     $R_{E-P}$ & MG      & 2.15   & 43.65     & 40.45          &   3.20 \\ \hline
597     $R_{E}$   & MG      & 2.15   & 43.64     & 41.38          &   2.26 \\ \hline
598
599     $EPSA$    & EP      & 1.04   & 22.14     & 20.73          &   1.41 \\ \hline
600     $R_{E-P}$ & EP      & 1.92   & 39.40     & 56.33          & -16.93 \\ \hline
601     $R_{E}$   & EP      & 1.92   & 38.10     & 56.35          & -18.25 \\ \hline
602
603     $EPSA$    & LU      & 1.38   & 35.83     & 22.49          &  13.34 \\ \hline
604     $R_{E-P}$ & LU      & 2.15   & 44.97     & 41.00          &   3.97 \\ \hline
605     $R_{E}$   & LU      & 2.15   & 44.97     & 41.80          &   3.17 \\ \hline
606
607     $EPSA$    & BT      & 1.31   & 29.60     & 21.28          &   8.32 \\ \hline
608     $R_{E-P}$ & BT      & 2.13   & 45.60     & 49.84          &  -4.24 \\ \hline
609     $R_{E}$   & BT      & 2.13   & 44.90     & 55.16          & -10.26 \\ \hline
610
611     $EPSA$    & SP      & 1.38   & 33.48     & 21.35          &  12.12 \\ \hline
612     $R_{E-P}$ & SP      & 2.10   & 45.69     & 43.60          &   2.09 \\ \hline
613     $R_{E}$   & SP      & 2.10   & 45.75     & 44.10          &   1.65 \\ \hline
614
615     $EPSA$    & FT      & 1.47   & 34.72     & 19.00          &  15.72 \\ \hline
616     $R_{E-P}$ & FT      & 2.04   & 39.40     & 37.10          &   2.30 \\ \hline
617     $R_{E}$   & FT      & 2.04   & 39.35     & 37.70          &   1.65 \\ \hline
618   \end{tabular}
619   \label{table:compareC}
620   % is used to refer this table in the text
621 \end{table}
622 As shown in Table~\ref{table:compareC}, the ($R_{E-P}$) method outperforms the ($R_{E}$)
623 method in terms of performance and energy reduction.  The ($R_{E-P}$) method
624 also gives better energy savings than our method.  However, although our scaling
625 factor is not optimal for energy reduction, the results in this table prove
626 that our algorithm returns the best scaling factor that satisfy our objective
627 method: the largest distance between energy reduction and performance
628 degradation. Figure~\ref{fig:compare}  illustrates even better the distance between 
629 the energy reduction and performance degradation. The negative values mean that one of
630 the two objectives (energy or performance) have been degraded more than the
631 other.  The positive trade-offs with the highest values lead to maximum energy
632 savings while keeping the performance degradation as low as possible.  Our
633 algorithm always gives the highest positive energy to performance trade-offs
634 while Rauber and Rünger's method, ($R_{E-P}$), gives sometimes negative
635 trade-offs such as in BT and EP.
636 \begin{figure}[t]
637   \centering
638 %  \includegraphics[width=.328\textwidth]{fig/compare_class_A}
639 %  \includegraphics[width=.328\textwidth]{fig/compare_class_B}
640   \includegraphics[width=.49\textwidth]{fig/compare_class_C}
641   \caption{Comparing our method to Rauber and Rünger's methods}
642   \label{fig:compare}
643 \end{figure}
644
645 \section{Conclusion}
646 \label{sec.concl}
647
648 In this paper, we have presented a new online scaling factor selection method
649 that optimizes simultaneously the energy and performance of a distributed
650 application running on an homogeneous cluster.  It uses the computation and
651 communication times measured at the first iteration to predict energy
652 consumption and the performance of the parallel application at every available
653 frequency.  Then, it selects the scaling factor that gives the best trade-off
654 between energy reduction and performance which is the maximum distance between
655 the energy and the inverted performance curves.  To evaluate this method, we
656 have applied it to the NAS benchmarks and it was compared to Rauber and Rünger
657 methods while being executed on the simulator SimGrid.  The results showed that
658 our method, outperforms Rauber and Rünger's methods in terms of energy-performance
659 ratio. 
660
661 In the near future, we would like to adapt this scaling factor selection method
662 to heterogeneous platforms where each node has different characteristics.  In
663 particular, each CPU has different available frequencies, energy consumption and
664 performance.  It would be also interesting to develop a new energy model for
665 asynchronous parallel iterative methods where the number of iterations is not
666 known in advance and depends on the global convergence of the iterative system.
667
668 \section*{Acknowledgment}
669
670 This work has been partially supported by the Labex ACTION project (contract
671 ``ANR-11-LABX-01-01'').  Computations have been performed on the supercomputer
672 facilities of the Mésocentre de calcul de Franche-Comté.  As a PhD student,
673 Mr. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of Babylon (Iraq) for
674 supporting his work.
675
676 % trigger a \newpage just before the given reference
677 % number - used to balance the columns on the last page
678 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
679 % the document is modified later
680 %\IEEEtriggeratref{15}
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684 \end{document}
685
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