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[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
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65
66 \begin{document} 
67
68 \title{Energy Consumption Reduction for Message Passing Iterative  Applications in Heterogeneous Architecture Using DVFS}
69  
70 \author{% 
71   \IEEEauthorblockN{%
72     Jean-Claude Charr,
73     Raphaël Couturier,
74     Ahmed Fanfakh and
75     Arnaud Giersch
76   } 
77   \IEEEauthorblockA{%
78     FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comte\\
79     IUT de Belfort-Montbéliard,
80     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
81     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
82     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
83     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
84    }
85   }
86
87 \maketitle
88
89 \begin{abstract}
90 Computing platforms  are consuming  more and more  energy due to  the increasing
91 number  of nodes  composing  them.  To  minimize  the operating  costs of  these
92 platforms many techniques have been  used. Dynamic voltage and frequency scaling
93 (DVFS) is  one of them. It  reduces the frequency of  a CPU to  lower its energy
94 consumption.  However,  lowering the  frequency  of  a  CPU might  increase  the
95 execution  time of  an application  running on  that processor.   Therefore, the
96 frequency that  gives the best trade-off  between the energy  consumption and the
97 performance of an application must be selected.\\
98 In this  paper, a new  online frequencies selecting algorithm  for heterogeneous
99 platforms is presented.   It selects the frequency which tries  to give the best
100 trade-off  between  energy saving  and  performance  degradation,  for each  node
101 computing the message  passing iterative application. The algorithm  has a small
102 overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model for
103 message passing iterative applications  running on a heterogeneous platform. The
104 proposed algorithm is  evaluated on the SimGrid simulator  while running the NAS
105 parallel  benchmarks.  The  experiments   show  that  it  reduces  the  energy
106 consumption by up to 35\% while  limiting the performance degradation as much as
107 possible.   Finally,  the algorithm  is  compared  to  an existing  method,  the
108 comparison results showing that it outperforms the latter.
109
110 \end{abstract}
111
112 \section{Introduction}
113 \label{sec.intro}
114 The  need for  more  computing  power is  continually  increasing. To  partially
115 satisfy  this need,  most supercomputers  constructors just  put  more computing
116 nodes in their  platform. The resulting platforms might  achieve higher floating
117 point operations  per second  (FLOPS), but the  energy consumption and  the heat
118 dissipation  are  also increased.   As  an  example,  the Chinese  supercomputer
119 Tianhe-2 had  the highest FLOPS  in November 2014  according to the  Top500 list
120 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was  also the most power hungry
121 platform  with  its  over  3  million cores  consuming  around  17.8  megawatts.
122 Moreover,    according   to    the    U.S.    annual    energy   outlook    2014
123 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the  price of energy  for 1 megawatt-hour
124 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
125 the Tianhe-2  platform is approximately more  than \$10 million  each year.  The
126 computing platforms must  be more energy efficient and  offer the highest number
127 of FLOPS  per watt  possible, such as  the L-CSC  from the GSI  Helmholtz Center
128 which became the top of the Green500 list in November 2014 \cite{Green500_List}.
129 This heterogeneous platform executes more than 5 GFLOPS per watt while consuming
130 57.15 kilowatts.
131
132 Besides platform  improvements, there are many software  and hardware techniques
133 to lower  the energy consumption of  these platforms, such  as scheduling, DVFS,
134 \dots{}  DVFS is a widely used process to reduce the energy consumption of a
135 processor            by             lowering            its            frequency
136 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
137 the number of FLOPS executed by the processor which might increase the execution
138 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
139 different optimization  strategies to select  the frequency that gives  the best
140 trade-off  between the  energy reduction  and performance  degradation  ratio. In
141 \cite{Our_first_paper}, a  frequency selecting algorithm was  proposed to reduce
142 the energy  consumption of message  passing iterative applications  running over
143 homogeneous platforms.  The results of  the experiments show  significant energy
144 consumption  reductions. In  this  paper, a  new  frequency selecting  algorithm
145 adapted  for heterogeneous  platform  is  presented. It  selects  the vector  of
146 frequencies, for  a heterogeneous platform  running a message  passing iterative
147 application, that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
148 minimum performance degradation ratio. The  algorithm has a very small overhead,
149 works online and does not need any training or profiling.
150
151 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
152 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
153 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
154 model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
155 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
156 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
157 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified. 
158 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
159 on a heterogeneous platform. It shows the results of running three 
160 different power scenarios and comparing them. Moreover, it also shows the comparison results
161 between the proposed method and an existing method.
162 Finally, in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
163
164 \section{Related works}
165 \label{sec.relwork}
166 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
167 the frequency of the CPU while computing, in order to reduce the energy
168 consumption of the processor. DVFS is also allowed in GPUs to achieve the same
169 goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and might
170 degrade the performance of the application running on that processor, especially
171 if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a
172 processor to satisfy some objectives while taking into account all the
173 constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different
174 strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that
175 compute the new frequency while executing the application, such
176 as~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}.
177 Others used offline methods that might need to run the application and profile
178 it before selecting the new frequency, such
179 as~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}.
180 The methods could be heuristics, exact or brute force methods that satisfy
181 varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be
182 adapted to the execution's environment and the type of the application such as
183 sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous
184 platform, synchronous or asynchronous application, \dots{}
185
186 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
187 Some works have already been done for such platforms and they can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
188 \begin{itemize}
189
190 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
191 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
192
193 \end{itemize}
194
195 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are
196 executed on the GPUs and the rest are executed on the CPUs.  Luley et
197 al.~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed a
198 heterogeneous cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main
199 goal was to maximize the energy efficiency of the platform during computation by
200 maximizing the number of FLOPS per watt generated.
201 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et
202 al. developed a scheduling algorithm that distributes workloads proportional to
203 the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks
204 must be completed at the same time.  In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU},
205 Rong et al. showed that a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables
206 DVFS gave better energy and performance efficiency than other clusters only
207 composed of CPUs.
208  
209 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with
210 heterogeneous CPUs.  Many methods were conceived to reduce the energy
211 consumption of this type of platform.  Naveen et
212 al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} developed a method that
213 minimizes the value of $energy\cdot delay^2$ (the delay is the sum of slack
214 times that happen during synchronous communications) by dynamically assigning
215 new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster. Lizhe et
216 al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed an algorithm
217 that divides the executed tasks into two types: the critical and non critical
218 tasks. The algorithm scales down the frequency of non critical tasks
219 proportionally to their slack and communication times while limiting the
220 performance degradation percentage to less than
221 10\%. In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed a
222 heterogeneous cluster composed of two types of Intel and AMD processors. They
223 use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
224 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and
225 \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, the best
226 frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using
227 some heuristic. Chen et
228 al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic
229 programming approach to minimize the power consumption of heterogeneous servers
230 while respecting given time constraints. This approach had considerable
231 overhead.  In contrast to the above described papers, this paper presents the
232 following contributions :
233 \begin{enumerate}
234 \item  two new energy and performance models for message passing iterative synchronous applications running over 
235        a heterogeneous platform. Both models take into account  communication and slack times. The models can predict the required energy and the execution time of the application.
236        
237 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous platforms. The algorithm has a very small 
238       overhead and does not need any training or profiling. It uses a new optimization function which simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption of a message passing iterative synchronous application.
239       
240 \end{enumerate}
241
242 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
243 \label{sec.exe}
244
245
246
247 \subsection{The execution time of message passing distributed 
248                 iterative applications on a heterogeneous platform}
249
250 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
251 passing distributed iterative synchronous applications running over
252 heterogeneous platforms. A heterogeneous platform is defined as a collection of
253 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
254 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
255 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
256 have the same network bandwidth and latency.
257
258 The overall execution time of a distributed iterative synchronous application
259 over a heterogeneous platform consists of the sum of the computation time and
260 the communication time for every iteration on a node. However, due to the
261 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur
262 when fast nodes have to wait, during synchronous communications, for the slower
263 nodes to finish their computations (see Figure~\ref{fig:heter}).  Therefore, the
264 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task
265 which has the highest computation time and no slack time.
266   
267  \begin{figure}[!t]
268   \centering
269    \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
270   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
271   \label{fig:heter}
272 \end{figure}
273
274 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
275 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
276 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
277 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
278 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
279 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
280 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
281 as in (\ref{eq:s}).
282 \begin{equation}
283   \label{eq:s}
284  S = \frac{\Fmax}{\Fnew}
285 \end{equation}
286  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
287  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
288  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
289  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
290  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
291  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
292  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
293  The communication time for a task is the summation of  periods of 
294  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
295  until the message is synchronously sent or received.
296
297 Since in a heterogeneous platform each node has different characteristics,
298 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
299 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
300 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
301 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
302 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
303 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
304 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
305 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
306 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
307 \begin{equation}
308   \label{eq:perf}
309   \Tnew = \max_{i=1,2,\dots,N} ({\TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  \MinTcm
310 \end{equation}
311 Where:
312 \begin{equation}
313 \label{eq:perf2}
314  \MinTcm = \min_{i=1,2,\dots,N} (\Tcm_i)
315 \end{equation}
316 where  $\TcpOld_i$ is  the computation  time of  processor $i$  during  the first
317 iteration and $\MinTcm$  is the communication time of  the slowest processor from
318 the  first iteration.   The model  computes  the maximum  computation time  with
319 scaling factor  from each node  added to the  communication time of  the slowest
320 node. It means only the communication  time without any slack time is taken into
321 account.  Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
322 the  execution time of  one iteration  as in  (\ref{eq:perf}) multiplied  by the
323 number of iterations of that application.
324
325 This prediction model is developed from  the model to predict the execution time
326 of     message    passing     distributed    applications     for    homogeneous
327 architectures~\cite{Our_first_paper}.   The execution  time prediction  model is
328 used in  the method  to optimize both the energy consumption and the performance of
329 iterative methods, which is presented in the following sections.
330
331
332 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
333 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
334 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
335 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
336 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
337 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
338 computation times.  The dynamic power $\Pd$ is related to the switching
339 activity $\alpha$, load capacitance $\CL$, the supply voltage $V$ and
340 operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
341 \begin{equation}
342   \label{eq:pd}
343   \Pd = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot F
344 \end{equation}
345 The static power $\Ps$ captures the leakage power as follows:
346 \begin{equation}
347   \label{eq:ps}
348    \Ps  = V \cdot \Ntrans \cdot \Kdesign \cdot \Ileak
349 \end{equation}
350 where V is the supply voltage, $\Ntrans$ is the number of transistors,
351 $\Kdesign$ is a design dependent parameter and $\Ileak$ is a
352 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
353 to execute a given program can be computed as:
354 \begin{equation}
355   \label{eq:eind}
356   \Eind =  \Pd \cdot \Tcp + \Ps \cdot T
357 \end{equation}
358 where $T$ is the execution time of the program, $\Tcp$ is the computation
359 time and $\Tcp \le T$.  $\Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
360 communication and no slack time.
361
362 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
363 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
364 constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the dynamic
365 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
366 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
367 ratio between the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).
368 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
369 system's kernel to lower a core's frequency. The new frequency 
370 $\Fnew$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as follows:
371 \begin{equation}
372   \label{eq:fnew}
373    \Fnew = S^{-1} \cdot \Fmax
374 \end{equation}
375 Replacing $\Fnew$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following 
376 equation for dynamic power consumption:
377 \begin{multline}
378   \label{eq:pdnew}
379    \PdNew = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fnew = \alpha \cdot \CL \cdot \beta^2 \cdot \Fnew^3 \\
380    {} = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fmax \cdot S^{-3} = \PdOld \cdot S^{-3}
381 \end{multline}
382 where $\PdNew$  and $\PdOld$ are the  dynamic power consumed with the 
383 new frequency and the maximum frequency respectively.
384
385 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
386 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
387 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
388 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
389 and is given by the following equation:
390 \begin{equation}
391   \label{eq:Edyn}
392    \EdNew = \PdOld \cdot S^{-3} \cdot (\Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot \PdOld \cdot  \Tcp 
393 \end{equation}
394 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
395 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
396  the static power of a processor is considered as constant 
397 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
398 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
399 According to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
400 is the sum of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
401 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
402 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
403 \begin{equation}
404   \label{eq:Estatic}
405   \Es = \Ps \cdot (\Tcp \cdot S  + \Tcm)
406 \end{equation}
407
408 In  the  considered  heterogeneous  platform,  each  processor  $i$  might  have
409 different   dynamic  and  static   powers,  noted   as  $\Pd_{i}$   and  $\Ps_{i}$
410 respectively.  Therefore,  even if  the  distributed  message passing  iterative
411 application  is  load balanced,  the  computation time  of  each  CPU $i$  noted
412 $\Tcp_{i}$ might  be different and  different frequency scaling factors  might be
413 computed in order to decrease  the overall energy consumption of the application
414 and reduce slack  times.  The communication time of a processor  $i$ is noted as
415 $\Tcm_{i}$  and could  contain slack  times when  communicating  with slower
416 nodes,  see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore,  all nodes  do  not have  equal
417 communication  times. While  the dynamic  energy  is computed  according to  the
418 frequency  scaling   factor  and   the  dynamic  power   of  each  node   as  in
419 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed  as the sum of the execution time
420 of  one iteration multiplied  by the static  power of  each processor.   The overall
421 energy consumption of a message  passing distributed application executed over a
422 heterogeneous platform during one iteration  is the summation of all dynamic and
423 static energies for each processor.  It is computed as follows:
424 \begin{multline}
425   \label{eq:energy}
426  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot \Pd_{i} \cdot  \Tcp_i)} + {} \\
427  \sum_{i=1}^{N} (\Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp_i \cdot S_{i}) +
428   {\MinTcm))}
429  \end{multline}
430
431 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
432 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
433 application and thus, increase the static energy because the execution time is
434 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption for the iterative 
435 application can be measured by measuring  the energy consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) 
436 multiplied by the number of iterations of that application.
437
438
439 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
440 \label{sec.compet}
441
442 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
443 energy efficient  execution of an  application. Indeed, even though  the dynamic
444 power  is  reduced  while  scaling  down  the  frequency  of  a  processor,  its
445 computation power  is proportionally decreased. Hence, the  execution time might
446 be drastically  increased and  during that time,  dynamic and static  powers are
447 being consumed.  Therefore,  it might cancel any gains  achieved by scaling down
448 the frequency of all nodes to  the minimum and the overall energy consumption of
449 the application might not  be the optimal one.  It is not  trivial to select the
450 appropriate frequency  scaling factor for  each processor while  considering the
451 characteristics  of each  processor  (computation power,  range of  frequencies,
452 dynamic  and static  powers)  and the  task executed  (computation/communication
453 ratio). The  aim being  to reduce  the overall energy  consumption and  to avoid
454 increasing    significantly    the    execution    time.   In    our    previous
455 work~\cite{Our_first_paper},  we  proposed a  method  that  selects the  optimal
456 frequency scaling factor  for a homogeneous cluster executing  a message passing
457 iterative synchronous  application while giving  the best trade-off  between the
458 energy consumption and  the performance for such applications.   In this work we
459 are  interested  in heterogeneous  clusters  as  described  above.  Due  to  the
460 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should
461 be selected and  it must give the best trade-off  between energy consumption and
462 performance.
463
464 The  relation between  the  energy consumption  and  the execution  time for  an
465 application  is complex  and nonlinear,  Thus, unlike  the relation  between the
466 execution time and  the scaling factor, the relation between  the energy and the
467 frequency   scaling    factors   is   nonlinear,   for    more   details   refer
468 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.   Moreover,  these relations
469 are not  measured using the same  metric.  To solve this  problem, the execution
470 time is normalized by computing the  ratio between the new execution time (after
471 scaling  down the  frequencies of  some processors)  and the  initial  one (with
472 maximum frequency for all nodes) as follows:
473 \begin{multline}
474   \label{eq:pnorm}
475   \Pnorm = \frac{\Tnew}{\Told}\\
476        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp_{i} \cdot S_{i}) +\MinTcm}
477            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(\Tcp_i+\Tcm_i)}}
478 \end{multline}
479
480
481 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the consumed energy 
482 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
483 \begin{multline}
484   \label{eq:enorm}
485   \Enorm = \frac{\Ereduced}{\Eoriginal} \\
486   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot \Pd_i \cdot  \Tcp_i)} +
487  \sum_{i=1}^{N} {(\Ps_i \cdot \Tnew)}}{\sum_{i=1}^{N}{( \Pd_i \cdot  \Tcp_i)} +
488  \sum_{i=1}^{N} {(\Ps_i \cdot \Told)}}
489 \end{multline} 
490 Where $\Ereduced$ and $\Eoriginal$ are computed using (\ref{eq:energy}) and
491   $\Tnew$ and $\Told$ are computed as in (\ref{eq:pnorm}).
492
493 While the main 
494 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
495 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
496 to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the vector  of frequency
497 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
498 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
499 reduction with minimum execution time reduction.  
500   
501 This problem can be solved by making the optimization process for energy and 
502 execution time following the same direction.  Therefore, the equation of the 
503 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance equation, as follows:
504 \begin{multline}
505   \label{eq:pnorm_inv}
506   \Pnorm = \frac{\Told}{\Tnew}\\
507           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(\Tcp_i+\Tcm_i)}}
508             { \max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp_{i} \cdot S_{i}) + \MinTcm} 
509 \end{multline}
510
511
512 \begin{figure}[!t]
513   \centering
514   \subfloat[Homogeneous platform]{%
515     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
516   
517   
518   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
519     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
520   \label{fig:rel}
521   \caption{The energy and performance relation}
522 \end{figure}
523
524 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
525 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
526 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
527 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
528 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} or
529 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
530 \begin{equation}
531   \label{eq:max}
532   \MaxDist = 
533   \mathop{\max_{i=1,\dots F}}_{j=1,\dots,N}
534       (\overbrace{\Pnorm(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
535        \overbrace{\Enorm(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
536 \end{equation}
537 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each node. 
538 Then, the optimal set of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
539 The objective function can work with any energy model or any power values for each node 
540 (static and dynamic powers). However, the most important energy reduction gain can be achieved when 
541 the energy curve has a convex form as shown in~\cite{Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Hao_Learning.based.DVFS}.
542
543 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
544 \label{sec.optim}
545
546 \subsection{The algorithm details}
547 In this section, Algorithm~\ref{HSA} is presented. It selects the frequency
548 scaling factors vector that gives the best trade-off between minimizing the
549 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
550 synchronous iterative application executed on a heterogeneous platform. It works
551 online during the execution time of the iterative message passing program.  It
552 uses information gathered during the first iteration such as the computation
553 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
554 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
555 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
556 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
557 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
558 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
559 scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
560
561 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus
562 while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes
563 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
564 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
565 periods are called idle or slack times.  The algorithm takes into account this
566 problem and tries to reduce these slack times when selecting the frequency
567 scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors
568 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
569 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
570 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
571 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
572 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
573 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
574 \begin{equation}
575   \label{eq:Scp}
576  \Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\Tcp_i)}{\Tcp_i}
577 \end{equation}
578 Using the initial  frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
579 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
580 and the computation scaling factor $\Scp_i$ as follows:
581 \begin{equation}
582   \label{eq:Fint}
583  F_{i} = \frac{\Fmax_i}{\Scp_i},~{i=1,2,\dots,N}
584 \end{equation}
585 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
586 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
587 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing power in
588 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
589 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
590 frequencies are colored in blue in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
591 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
592 optimal vector of frequencies because selecting frequency scaling factors higher
593 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
594 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
595 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
596 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
597 frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher
598 bound until all nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall
599 energy consumption and performance, and select the optimal frequency scaling
600 factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node
601 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged,
602 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
603 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
604 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
605 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
606
607 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}  illustrate the normalized performance and
608 consumed  energy for  an application  running on  a homogeneous  platform  and a
609 heterogeneous platform respectively while increasing the scaling factors. It can
610 be noticed  that in a  homogeneous platform the  search for the  optimal scaling
611 factor should start  from the maximum frequency because  the performance and the
612 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand,
613 in the heterogeneous platform the  performance is maintained at the beginning of
614 the plot  even if the  frequencies of the  faster nodes decrease  until the
615 computing power of scaled down  nodes are lower than the slowest  node. In other
616 words, until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher
617 the difference between the faster nodes  and the slower nodes is, the bigger the
618 maximum distance  between the  energy curve and  the performance curve  is while
619  the scaling factors are varying which results in bigger energy savings.
620 \begin{figure}[!t]
621   \centering
622     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
623   \caption{Selecting the initial frequencies}
624   \label{fig:st_freq}
625 \end{figure}
626
627
628
629
630 \begin{algorithm}
631   \begin{algorithmic}[1]
632     % \footnotesize
633     \Require ~
634     \begin{description}
635     \item[$\Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
636     \item[$\Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
637     \item[$\Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
638     \item[$\Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
639     \item[$\Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
640     \item[$\Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
641     \end{description}
642     \Ensure $\Sopt_1,\Sopt_2 \dots, \Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
643
644     \State $\Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\Tcp_i)}{\Tcp_i} $
645     \State $F_{i} \gets  \frac{\Fmax_i}{\Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
646     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
647     \If{(not the first frequency)}
648           \State $F_i \gets F_i+\Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
649     \EndIf 
650     \State $\Told \gets max_{~i=1,\dots,N } (\Tcp_i+\Tcm_i)$
651     \State $\Eoriginal \gets \sum_{i=1}^{N}{( \Pd_i \cdot  \Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(\Ps_i \cdot \Told)}$
652     \State $\Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
653     \State $\Dist \gets 0 $
654     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
655         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
656         \State $F_i \gets F_i - \Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
657         \State $S_i \gets \frac{\Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
658         \EndIf
659        \State $\Tnew \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (\Tcp_{i} \cdot S_{i}) + \MinTcm $
660        \State $\Ereduced \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot \Pd_i \cdot  \Tcp_i)} + \sum_{i=1}^{N} {(\Ps_i \cdot \rlap{\Tnew)}} $
661        \State $\Pnorm \gets \frac{\Told}{\Tnew}$
662        \State $\Enorm\gets \frac{\Ereduced}{\Eoriginal}$
663       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
664         \State $\Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
665         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
666       \EndIf
667     \EndWhile
668     \State  Return $\Sopt_1,\Sopt_2,\dots,\Sopt_N$
669   \end{algorithmic}
670   \caption{frequency scaling factors selection algorithm}
671   \label{HSA}
672 \end{algorithm}
673
674 \begin{algorithm}
675   \begin{algorithmic}[1]
676     % \footnotesize
677     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
678       \State Computations section.
679       \State Communications section.
680       \If {$(k=1)$}
681         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
682                communication from each node.
683         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
684         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
685                returned optimal scaling factors.
686         \State Set the new frequencies to nodes.
687       \EndIf
688     \EndFor
689   \end{algorithmic}
690   \caption{DVFS algorithm}
691   \label{dvfs}
692 \end{algorithm}
693
694 \subsection{The evaluation of the proposed algorithm}
695 \label{sec.verif.algo}
696 The precision  of the  proposed algorithm mainly  depends on the  execution time
697 prediction model  defined in  (\ref{eq:perf}) and the  energy model  computed by
698 (\ref{eq:energy}).   The energy  model is  also significantly  dependent  on the
699 execution  time model  because  the static  energy  is linearly  related to  the
700 execution time  and the dynamic energy  is related to the  computation time. So,
701 all the works presented  in this paper are based on the  execution time model. To
702 verify  this  model, the  predicted  execution time  was  compared  to the  real
703 execution          time           over          SimGrid/SMPI          simulator,
704 v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile},   for   all   the   NAS
705 parallel benchmarks NPB v3.3  \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}, running class B on
706 8 or  9 nodes. The comparison showed  that the proposed execution  time model is
707 very precise, the maximum  normalized difference between the predicted execution
708 time and the real execution time is equal to 0.03 for all the NAS benchmarks.
709
710 Since the proposed algorithm is not an exact method it does not test all the
711 possible solutions (vectors of scaling factors) in the search space. To prove
712 its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search
713 algorithm that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was
714 applied to different NAS benchmarks classes with different number of nodes. The
715 solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were
716 identical and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the
717 brute force algorithm. It has a small execution time: for a heterogeneous
718 cluster composed of four different types of nodes having the characteristics
719 presented in Table~\ref{table:platform}, it takes on average \np[ms]{0.04} for 4
720 nodes and \np[ms]{0.15} on average for 144 nodes to compute the best scaling
721 factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$
722 is the number of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The
723 algorithm needs from 12 to 20 iterations to select the best vector of frequency
724 scaling factors that gives the results of the next sections.
725
726 \section{Experimental results}
727 \label{sec.expe}
728 To  evaluate the  efficiency and  the  overall energy  consumption reduction  of
729 Algorithm~\ref{HSA}, it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3. The
730 experiments were executed on the  simulator SimGrid/SMPI which offers easy tools
731 to create a heterogeneous platform and run message passing applications over it.
732 The heterogeneous  platform that was used  in the experiments, had  one core per
733 node because just one process was executed per node.  The heterogeneous platform
734 was  composed  of  four  types  of  nodes. Each  type  of  nodes  had  different
735 characteristics  such as  the maximum  CPU  frequency, the  number of  available
736 frequencies  and the  computational power,  see Table~\ref{table:platform}. The
737 characteristics  of  these  different  types  of nodes  are  inspired  from  the
738 specifications of real  Intel processors.  The heterogeneous platform  had up to
739 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, for example if
740 a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the
741 constructors of  CPUs do not specify the  dynamic and the static  power of their
742 CPUs, for  each type of  node they were  chosen proportionally to  its computing
743 power  (FLOPS).  In  the initial  heterogeneous platform,  while  computing with
744 highest frequency,  each node  consumed an amount  of power proportional  to its
745 computing  power  (which  corresponds to  80\%  of  its  dynamic power  and  the
746 remaining  20\%  to  the  static   power),  the  same  assumption  was  made  in
747 \cite{Our_first_paper,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.    Finally,  These
748 nodes were connected via an Ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
749
750
751 \begin{table}[!t]
752   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
753   % title of Table
754   \centering
755   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
756     \hline
757     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
758     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
759                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
760     \hline
761     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~W         &4~W    \\
762          
763     \hline
764     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~W         &5~W    \\
765                   
766     \hline
767     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~W         &6~W    \\
768                   
769     \hline
770     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~W         &7~W    \\
771                   
772     \hline
773   \end{tabular}
774   \label{table:platform}
775 \end{table}
776
777  
778 %\subsection{Performance prediction verification}
779
780
781 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
782 \label{sec.res}
783
784
785 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG,
786 MG, FT, BT, LU and SP) and  the benchmarks were executed with the three classes:
787 A, B and C. However, due to the lack of space in this paper, only the results of
788 the  biggest class,  C, are  presented while  being run  on different  number of
789 nodes,  ranging from 4  to 128  or 144  nodes depending  on the  benchmark being
790 executed. Indeed, the benchmarks CG, MG, LU, EP and FT had to be executed on $1,
791 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes.   The other benchmarks such as BT and SP had to
792 be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
793
794  
795  
796 \begin{table}[!t]
797   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
798   % title of Table
799   \centering
800   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
801     \hline
802     \hspace{-2.2084pt}%
803     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
804     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
805     \hline
806     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
807     \hline 
808     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
809    \hline
810     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
811    \hline
812     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
813     \hline
814     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
815    \hline
816     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
817    \hline
818     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
819 \hline 
820   \end{tabular}
821   \label{table:res_4n}
822 % \end{table}
823
824 \medskip
825 % \begin{table}[!t]
826   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
827   % title of Table
828   \centering
829   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
830     \hline
831      \hspace{-2.2084pt}%
832     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
833     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
834     \hline
835     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
836     \hline 
837     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
838    \hline
839     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
840    \hline
841     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
842     \hline
843     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
844    \hline
845     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
846    \hline
847     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
848 \hline 
849   \end{tabular}
850   \label{table:res_8n}
851 % \end{table}
852
853 \medskip
854 % \begin{table}[!t]
855   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
856   % title of Table
857   \centering
858   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
859     \hline
860     \hspace{-2.2084pt}%
861     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
862     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
863     \hline
864     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
865     \hline 
866     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
867    \hline
868     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
869    \hline
870     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
871     \hline
872     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
873    \hline
874     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
875    \hline
876     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
877 \hline 
878   \end{tabular}
879   \label{table:res_16n}
880 % \end{table}
881
882 \medskip
883 % \begin{table}[!t]
884   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
885   % title of Table
886   \centering
887   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
888     \hline
889     \hspace{-2.2084pt}%
890     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
891     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
892     \hline
893     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
894     \hline 
895     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
896    \hline
897     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
898    \hline
899     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
900     \hline
901     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
902    \hline
903     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
904    \hline
905     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
906 \hline 
907   \end{tabular}
908   \label{table:res_32n}
909 % \end{table}
910
911 \medskip
912 % \begin{table}[!t]
913   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
914   % title of Table
915   \centering
916   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
917     \hline
918     \hspace{-2.2084pt}%
919     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
920     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
921     \hline
922     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
923     \hline 
924     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
925    \hline
926     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
927    \hline
928     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
929     \hline
930     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
931    \hline
932     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
933    \hline
934     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
935 \hline 
936   \end{tabular}
937   \label{table:res_64n}
938 % \end{table}
939
940 \medskip
941 % \begin{table}[!t]
942   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
943   % title of Table
944   \centering
945   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
946     \hline
947     \hspace{-2.2084pt}%
948     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
949     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
950     \hline
951     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
952     \hline 
953     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
954    \hline
955     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
956    \hline
957     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
958     \hline
959     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
960    \hline
961     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
962    \hline
963     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
964 \hline 
965   \end{tabular}
966   \label{table:res_128n}
967 \end{table}
968 The overall energy  consumption was computed for each  instance according to the
969 energy  consumption  model  (\ref{eq:energy}),  with and  without  applying  the
970 algorithm. The execution time was also measured for all these experiments. Then,
971 the energy saving and performance degradation percentages were computed for each
972 instance.    The   results   are   presented  in   Tables~\ref{table:res_4n},
973 \ref{table:res_8n},           \ref{table:res_16n},          \ref{table:res_32n},
974 \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}. All these results are the average
975 values  from many experiments  for energy  savings and  performance degradation.
976 The tables show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks
977 on  different  number  of  nodes.   The  experiments  show  that  the  algorithm
978 significantly reduces the energy consumption (up to 35\%) and tries to limit the
979 performance  degradation.  They  also  show that  the  energy saving  percentage
980 decreases when the  number of computing nodes increases.   This reduction is due
981 to the increase of the communication  times compared to the execution times when
982 the benchmarks are run over a high number of nodes.  Indeed, the benchmarks with
983 the  same  class,  C,  are  executed  on different  numbers  of  nodes,  so  the
984 computation required  for each iteration is  divided by the  number of computing
985 nodes.  On the other hand,  more communications are required when increasing the
986 number  of  nodes so  the  static energy  increases  linearly  according to  the
987 communication time and the dynamic power  is less relevant in the overall energy
988 consumption.   Therefore, reducing the  frequency with  Algorithm~\ref{HSA} is
989 less effective  in reducing the overall  energy savings. It can  also be noticed
990 that for the benchmarks EP and  SP that contain little or no communications, the
991 energy savings are  not significantly affected by the high  number of nodes.  No
992 experiments were conducted  using bigger classes than D,  because they require a
993 lot  of memory (more  than 64GB)  when being  executed by  the simulator  on one
994 machine.   The maximum  distance between  the  normalized energy  curve and  the
995 normalized performance for each instance is  also shown in the result tables. It
996 decrease in the same way as  the energy saving percentage.  The tables also show
997 that the performance degradation  percentage is not significantly increased when
998 the number  of computing  nodes is increased  because the computation  times are
999 small when compared to the communication times.
1000
1001
1002  
1003 \begin{figure}[!t]
1004   \centering
1005   \subfloat[Energy saving]{%
1006     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
1007   
1008   \subfloat[Performance degradation ]{%
1009     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
1010   \label{fig:avg}
1011   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with a different number of nodes}
1012 \end{figure}
1013
1014 Figures~\ref{fig:energy} and  \ref{fig:per_deg} present  the energy  saving and
1015 performance  degradation respectively for  all the  benchmarks according  to the
1016 number of used nodes. As shown  in the first plot, the energy saving percentages
1017 of the benchmarks MG,  LU, BT and FT decrease linearly when  the number of nodes
1018 increase. While  for the EP and  SP benchmarks, the energy  saving percentage is
1019 not affected by the increase of  the number of computing nodes, because in these
1020 benchmarks there are little or  no communications. Finally, the energy saving of
1021 the  GC benchmark  significantly  decrease  when the  number  of nodes  increase
1022 because this benchmark has more  communications than the others. The second plot
1023 shows that  the performance  degradation percentages of  most of  the benchmarks
1024 decrease when  they run on a  big number of  nodes because they spend  more time
1025 communicating than computing,  thus, scaling down the frequencies  of some nodes
1026 has less effect on the performance.
1027
1028
1029
1030
1031 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
1032 \label{sec.compare}
1033 The results  of the previous section  were obtained while  using processors that
1034 consume during  computation an overall power  which is 80\%  composed of dynamic
1035 power and of 20\% of static power. In this section, these ratios are changed and
1036 two new  power scenarios are  considered in order  to evaluate how  the proposed
1037 algorithm adapts itself  according to the static and  dynamic power values.  The
1038 two new power scenarios are the following:
1039
1040 \begin{itemize}
1041 \item 70\% of dynamic power  and 30\% of static power
1042 \item 90\% of dynamic power  and 10\% of static power
1043 \end{itemize}
1044
1045 The NAS parallel benchmarks were  executed again over processors that follow the
1046 new power scenarios.   The class C of each  benchmark was run over 8  or 9 nodes
1047 and   the    results   are   presented   in    Tables~\ref{table:res_s1}   and
1048 \ref{table:res_s2}. These tables  show that the energy saving  percentage of the
1049 70\%-30\% scenario is  smaller for all benchmarks compared  to the energy saving
1050 of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in  the latter more dynamic power is consumed
1051 when  nodes are running  on their  maximum frequencies,  thus, scaling  down the
1052 frequency of  the nodes results in  higher energy savings than  in the 70\%-30\%
1053 scenario. On the  other hand, the performance degradation  percentage is smaller
1054 in the 70\%-30\% scenario compared to the 90\%-10\% scenario. This is due to the
1055 higher  static  power percentage  in  the first  scenario  which  makes it  more
1056 relevant in the  overall consumed energy.  Indeed, the  static energy is related
1057 to the execution time and if  the performance is degraded the amount of consumed
1058 static  energy directly  increases.  Therefore,  the proposed  algorithm  does not
1059 really significantly  scale down much the  frequencies of the nodes  in order to
1060 limit the  increase of the  execution time and  thus limiting the effect  of the
1061 consumed static energy.
1062
1063 Both   new  power   scenarios   are  compared   to   the  old   one  in
1064 Figure~\ref{fig:sen_comp}. It  shows the average of the  performance degradation, the
1065 energy saving and the  distances for all NAS benchmarks of class  C running on 8
1066 or 9 nodes.   The comparison shows that the energy  saving ratio is proportional
1067 to the dynamic power ratio: it is increased when applying the 90\%-10\% scenario
1068 because at  maximum frequency  the dynamic  energy is the  most relevant  in the
1069 overall consumed  energy and can  be reduced by  lowering the frequency  of some
1070 processors. On  the other hand, the  energy saving decreases  when the 70\%-30\%
1071 scenario is  used because  the dynamic  energy is less  relevant in  the overall
1072 consumed energy and  lowering the frequency does not  return big energy savings.
1073 Moreover, the average  of the performance degradation is  decreased when using a
1074 higher  ratio   for  static  power  (e.g.   70\%-30\%   scenario  and  80\%-20\%
1075 scenario). Since  the proposed algorithm  optimizes the energy  consumption when
1076 using a  higher ratio for dynamic  power the algorithm  selects bigger frequency
1077 scaling  factors that result  in more  energy saving  but less  performance, for
1078 example see  Figure~\ref{fig:scales_comp}. The  opposite happens when  using a
1079 higher  ratio for  static power,  the algorithm  proportionally  selects smaller
1080 scaling  values which result  in less  energy saving  but also  less performance
1081 degradation.
1082
1083
1084  \begin{table}[!t]
1085   \caption{The results of the 70\%-30\% power scenario}
1086   % title of Table
1087   \centering
1088   \begin{tabular}{|*{6}{r|}}
1089     \hline
1090     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1091     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1092     \hline
1093     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
1094     \hline 
1095     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
1096    \hline
1097     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
1098    \hline
1099     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
1100     \hline
1101     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
1102    \hline
1103     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
1104    \hline
1105     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
1106 \hline 
1107   \end{tabular}
1108   \label{table:res_s1}
1109 \end{table}
1110
1111
1112
1113 \begin{table}[!t]
1114   \caption{The results of the 90\%-10\% power scenario}
1115   % title of Table
1116   \centering
1117   \begin{tabular}{|*{6}{r|}}
1118     \hline
1119     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1120     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1121     \hline
1122     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1123     \hline 
1124     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1125    \hline
1126     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1127    \hline
1128     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1129     \hline
1130     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1131    \hline
1132     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1133    \hline
1134     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1135 \hline 
1136   \end{tabular}
1137   \label{table:res_s2}
1138 \end{table}
1139
1140
1141 \begin{figure}[!t]
1142   \centering
1143   \subfloat[Comparison  between the results on 8 nodes]{%
1144     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1145
1146   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1147     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1148   \label{fig:comp}
1149   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1150 \end{figure}  
1151
1152
1153
1154
1155 \subsection{The comparison of the proposed scaling algorithm }
1156 \label{sec.compare_EDP}
1157 In this section, the scaling  factors selection algorithm, called $\MaxDist$,
1158 is compared to Spiliopoulos et al. algorithm \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, called EDP. 
1159 They developed a green governor that regularly applies an online frequency selecting algorithm to reduce the energy consumed by a multicore architecture without degrading much its performance. The algorithm selects the frequencies that minimize the energy and delay products, $EDP=Energy\cdot Delay$ using the predicted overall energy consumption and execution time delay for each frequency.
1160 To fairly compare both algorithms, the same energy and execution time models, equations (\ref{eq:energy}) and  (\ref{eq:fnew}), were used for both algorithms to predict the energy consumption and the execution times. Also Spiliopoulos et al. algorithm was adapted to  start the search from the 
1161 initial frequencies computed using the equation (\ref{eq:Fint}). The resulting algorithm is an exhaustive search algorithm that minimizes the EDP and has the initial frequencies values as an upper bound.
1162
1163 Both algorithms were applied to the parallel NAS benchmarks to compare their
1164 efficiency. Table~\ref{table:compare_EDP} presents the results of comparing the
1165 execution times and the energy consumption for both versions of the NAS
1166 benchmarks while running the class C of each benchmark over 8 or 9 heterogeneous
1167 nodes. The results show that our algorithm provides better energy savings than
1168 Spiliopoulos et al. algorithm, on average it results in 29.76\% energy saving
1169 while their algorithm returns just 25.75\%. The average of performance
1170 degradation percentage is approximately the same for both algorithms, about 4\%.
1171
1172
1173 For all benchmarks,  our algorithm outperforms Spiliopoulos et  al. algorithm in
1174 terms of  energy and  performance trade-off, see  Figure~\ref{fig:compare_EDP},
1175 because it maximizes the distance  between the energy saving and the performance
1176 degradation values while giving the same weight for both metrics.
1177
1178
1179
1180
1181 \begin{table}[!t]
1182  \caption{Comparing the proposed algorithm}
1183  \centering
1184 \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
1185 \hline
1186 Program & \multicolumn{2}{c|}{Energy saving \%} & \multicolumn{2}{c|}{Perf.  degradation \%} & \multicolumn{2}{c|}{Distance} \\ \cline{2-7} 
1187 name    & EDP             & MaxDist          & EDP            & MaxDist           & EDP          & MaxDist        \\ \hline
1188 CG      & 27.58           & 31.25            & 5.82           & 7.12              & 21.76        & 24.13          \\ \hline
1189 MG      & 29.49           & 33.78            & 3.74           & 6.41              & 25.75        & 27.37          \\ \hline
1190 LU      & 19.55           & 28.33            & 0.0            & 0.01              & 19.55        & 28.22          \\ \hline
1191 EP      & 28.40           & 27.04            & 4.29           & 0.49              & 24.11        & 26.55          \\ \hline
1192 BT      & 27.68           & 32.32            & 6.45           & 7.87              & 21.23        & 24.43          \\ \hline
1193 SP      & 20.52           & 24.73            & 5.21           & 2.78              & 15.31         & 21.95         \\ \hline
1194 FT      & 27.03           & 31.02            & 2.75           & 2.54              & 24.28        & 28.48           \\ \hline
1195
1196 \end{tabular}
1197 \label{table:compare_EDP}
1198 \end{table}
1199
1200
1201
1202
1203
1204 \begin{figure}[!t]
1205   \centering
1206    \includegraphics[scale=0.5]{fig/compare_EDP.pdf}
1207   \caption{Trade-off comparison for NAS benchmarks class C}
1208   \label{fig:compare_EDP}
1209 \end{figure}
1210
1211
1212 \section{Conclusion}
1213 \label{sec.concl} 
1214 In this paper, a new online frequency selecting algorithm has been presented. It
1215 selects the  best possible  vector of frequency  scaling factors that  gives the
1216 maximum  distance  (optimal  trade-off)  between  the predicted  energy  and  the
1217 predicted performance curves for a heterogeneous platform. This algorithm uses a
1218 new  energy  model  for  measuring  and predicting  the  energy  of  distributed
1219 iterative  applications running  over heterogeneous  platforms. To  evaluate the
1220 proposed method, it was applied on the NAS parallel benchmarks and executed over
1221 a heterogeneous  platform simulated by  SimGrid. The results of  the experiments
1222 showed that the algorithm reduces up to 35\% the energy consumption of a message
1223 passing iterative method while limiting  the degradation of the performance. The
1224 algorithm also selects different scaling  factors according to the percentage of
1225 the computing and communication times, and according to the values of the static
1226 and  dynamic  powers  of the  CPUs.   Finally,  the  algorithm was  compared  to
1227 Spiliopoulos et al.  algorithm and  the results showed that it outperforms their
1228 algorithm in terms of energy-time trade-off.
1229
1230 In the near future, this method  will be applied to real heterogeneous platforms
1231 to evaluate its  performance in a real study case. It  would also be interesting
1232 to evaluate its scalability over large scale heterogeneous platforms and measure
1233 the energy  consumption reduction it can  produce.  Afterward, we  would like to
1234 develop a similar method that  is adapted to asynchronous iterative applications
1235 where  each task  does not  wait for  other tasks  to finish  their  works.  The
1236 development of such a method might require a new energy model because the number
1237 of iterations is  not known in advance and depends on  the global convergence of
1238 the iterative system.
1239
1240 \section*{Acknowledgment}
1241
1242 This work has been partially supported by the Labex
1243 ACTION project (contract “ANR-11-LABX-01-01”). As a PhD student, 
1244 Mr. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
1245 Babylon (Iraq) for supporting his work. 
1246
1247
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