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54 \begin{document} 
55
56 \title{Energy Consumption Reduction for Message Passing Iterative  Applications in Heterogeneous Architecture Using DVFS}
57  
58 \author{% 
59   \IEEEauthorblockN{%
60     Jean-Claude Charr,
61     Raphaël Couturier,
62     Ahmed Fanfakh and
63     Arnaud Giersch
64   } 
65   \IEEEauthorblockA{%
66     FEMTO-ST Institute\\
67     University of Franche-Comté\\
68     IUT de Belfort-Montbéliard,
69     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
70     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
71     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
72     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
73    }
74   }
75
76 \maketitle
77
78 \begin{abstract}
79 Computing platforms  are consuming  more and more  energy due to  the increasing
80 number  of nodes  composing  them.  To  minimize  the operating  costs of  these
81 platforms many techniques have been  used. Dynamic voltage and frequency scaling
82 (DVFS) is  one of them. It  reduces the frequency of  a CPU to  lower its energy
83 consumption.  However,  lowering the  frequency  of  a  CPU might  increase  the
84 execution  time of  an application  running on  that processor.   Therefore, the
85 frequency that  gives the best tradeoff  between the energy  consumption and the
86 performance of an application must be selected.
87
88 In this  paper, a new  online frequencies selecting algorithm  for heterogeneous
89 platforms is presented.   It selects the frequency which tries  to give the best
90 tradeoff  between  energy saving  and  performance  degradation,  for each  node
91 computing the message  passing iterative application. The algorithm  has a small
92 overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model for
93 message passing iterative applications  running on a heterogeneous platform. The
94 proposed algorithm is  evaluated on the Simgrid simulator  while running the NAS
95 parallel  benchmarks.  The  experiments   show  that  it  reduces  the  energy
96 consumption by up to 35\% while  limiting the performance degradation as much as
97 possible.   Finally,  the algorithm  is  compared  to  an existing  method,  the
98 comparison results showing that it outperforms the latter.
99
100 \end{abstract}
101
102 \section{Introduction}
103 \label{sec.intro}
104 The  need for  more  computing  power is  continually  increasing. To  partially
105 satisfy  this need,  most supercomputers  constructors just  put  more computing
106 nodes in their  platform. The resulting platforms might  achieve higher floating
107 point operations  per second  (FLOPS), but the  energy consumption and  the heat
108 dissipation  are  also increased.   As  an  example,  the Chinese  supercomputer
109 Tianhe-2 had  the highest FLOPS  in November 2014  according to the  Top500 list
110 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was  also the most power hungry
111 platform  with  its  over  3  million cores  consuming  around  17.8  megawatts.
112 Moreover,    according   to    the    U.S.    annual    energy   outlook    2014
113 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the  price of energy  for 1 megawatt-hour
114 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
115 the Tianhe-2  platform is approximately more  than \$10 million  each year.  The
116 computing platforms must  be more energy efficient and  offer the highest number
117 of FLOPS  per watt  possible, such as  the L-CSC  from the GSI  Helmholtz Center
118 which became the top of the Green500 list in November 2014 \cite{Green500_List}.
119 This heterogeneous platform executes more than 5 GFLOPS per watt while consuming
120 57.15 kilowatts.
121
122 Besides platform  improvements, there are many software  and hardware techniques
123 to lower  the energy consumption of  these platforms, such  as scheduling, DVFS,
124 ...   DVFS is  a  widely used  process to  reduce  the energy  consumption of  a
125 processor            by             lowering            its            frequency
126 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
127 the number of FLOPS executed by the processor which might increase the execution
128 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
129 different optimization  strategies to select  the frequency that gives  the best
130 tradeoff  between the  energy reduction  and performance  degradation  ratio. In
131 \cite{Our_first_paper}, a  frequency selecting algorithm was  proposed to reduce
132 the energy  consumption of message  passing iterative applications  running over
133 homogeneous platforms.  The results of  the experiments show  significant energy
134 consumption  reductions. In  this  paper, a  new  frequency selecting  algorithm
135 adapted  for heterogeneous  platform  is  presented. It  selects  the vector  of
136 frequencies, for  a heterogeneous platform  running a message  passing iterative
137 application, that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
138 minimum performance degradation ratio. The  algorithm has a very small overhead,
139 works online and does not need any training or profiling.
140
141 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
142 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
143 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
144 model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
145 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
146 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
147 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified. 
148 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
149 on a heterogeneous platform. It shows the results of running three 
150 different power scenarios and comparing them. Moreover, it also shows the comparison results
151 between the proposed method and an existing method.
152 Finally, in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
153
154 \section{Related works}
155 \label{sec.relwork}
156 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
157 the  frequency  of the  CPU  while  computing, in  order  to  reduce the  energy
158 consumption of  the processor. DVFS is also  allowed in  GPUs  to achieve the
159 same goal. Reducing the frequency of  a processor lowers its number of FLOPS and
160 might  degrade the  performance of  the application  running on  that processor,
161 especially if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency
162 for a processor to satisfy some objectives while taking into account all the
163 constraints,  is  not a  trivial  operation.   Many  researchers used  different
164 strategies to  tackle this problem. Some  of them developed  online methods that
165 compute   the  new   frequency  while   executing  the   application,   such  as
166 ~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}. Others
167 used  offline methods  that might  need to  run the  application and  profile it
168 before       selecting       the        new       frequency,       such       as
169 ~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}. The
170 methods could  be heuristics, exact or  brute force methods  that satisfy varied
171 objectives such as  energy reduction or performance. They  also could be adapted
172 to  the  execution's  environment  and  the  type of  the  application  such  as
173 sequential, parallel  or distributed architecture,  homogeneous or heterogeneous
174 platform, synchronous or asynchronous application, ...
175
176 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
177 Some works have already been done for such platforms and they can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
178 \begin{itemize}
179
180 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
181 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
182
183 \end{itemize}
184
185 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are executed on the  GPUs and the rest are executed 
186 on the CPUs.  Luley et al.
187 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed  a heterogeneous 
188 cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal was to maximize the 
189 energy efficiency of the platform during computation by maximizing the number of FLOPS per watt generated. 
190 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et al. developed a scheduling 
191 algorithm that distributes  workloads proportional to the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks must be completed at the same time.
192 In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Rong et al. showed that 
193 a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables DVFS gave better energy and performance 
194 efficiency than other clusters only composed of  CPUs.
195  
196 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with heterogeneous CPUs.
197 Many methods were conceived to reduce the energy consumption of this type of platform.  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling}  
198 developed a method that minimizes the value of $energy*delay^2$ (the delay is the sum of slack times that happen during synchronous communications) by dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster. Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed
199 an algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and 
200 non critical tasks. The algorithm scales down the frequency of  non critical tasks proportionally to their  slack and communication times while limiting  the performance degradation percentage to less than 10\%. In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed 
201   a heterogeneous cluster composed of two  types 
202 of Intel and AMD processors. They use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
203 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
204  the best frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using some 
205 heuristic. Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic programming approach to  
206 minimize the power consumption of heterogeneous servers  while respecting given time constraints. This approach 
207 had considerable overhead.
208 In contrast to the above described papers, this paper presents the following contributions :
209 \begin{enumerate}
210 \item  two new energy and performance models for message passing iterative synchronous applications running over 
211        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.
212        
213 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous platforms. The algorithm has a very small 
214       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.
215       
216 \end{enumerate}
217
218 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
219 \label{sec.exe}
220
221
222
223 \subsection{The execution time of message passing distributed 
224                 iterative applications on a heterogeneous platform}
225
226 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
227 passing distributed iterative synchronous applications running over
228 heterogeneous platforms. A heterogeneous platform is defined as a collection of
229 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
230 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
231 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
232 have the same network bandwidth and latency.
233
234 The overall execution time  of a distributed iterative synchronous application 
235 over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and 
236 the communication time for every iteration on a node. However, due to the 
237 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur 
238 when fast nodes have to  wait, during synchronous communications, for  the slower 
239 nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
240 Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
241 task which has the highest computation time and no slack time.
242   
243  \begin{figure}[t]
244   \centering
245    \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
246   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
247   \label{fig:heter}
248 \end{figure}
249
250 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
251 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
252 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
253 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
254 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
255 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
256 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
257 as in (\ref{eq:s}).
258 \begin{equation}
259   \label{eq:s}
260  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
261 \end{equation}
262  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
263  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
264  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
265  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
266  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
267  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
268  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
269  The communication time for a task is the summation of  periods of 
270  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
271  until the message is synchronously sent or received.
272
273 Since in a heterogeneous platform each node has different characteristics,
274 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
275 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
276 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
277 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
278 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
279 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
280 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
281 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
282 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
283 \begin{equation}
284   \label{eq:perf}
285  \textit  T_\textit{new} = 
286  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm 
287 \end{equation}
288 Where:\\
289 \begin{equation}
290 \label{eq:perf2}
291  MinTcm = \min_{i=1,2,\dots,N} (Tcm_i)
292 \end{equation}
293 where  $TcpOld_i$ is  the computation  time of  processor $i$  during  the first
294 iteration and $MinTcm$  is the communication time of  the slowest processor from
295 the  first iteration.   The model  computes  the maximum  computation time  with
296 scaling factor  from each node  added to the  communication time of  the slowest
297 node. It means only the communication  time without any slack time is taken into
298 account.  Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
299 the  execution time of  one iteration  as in  (\ref{eq:perf}) multiplied  by the
300 number of iterations of that application.
301
302 This prediction model is developed from  the model to predict the execution time
303 of     message    passing     distributed    applications     for    homogeneous
304 architectures~\cite{Our_first_paper}.   The execution  time prediction  model is
305 used in  the method  to optimize both the energy consumption and the performance of
306 iterative methods, which is presented in the following sections.
307
308
309 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
310 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
311 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
312 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
313 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
314 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
315 computation times.  The dynamic power $Pd$ is related to the switching
316 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
317 operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
318 \begin{equation}
319   \label{eq:pd}
320   Pd = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
321 \end{equation}
322 The static power $Ps$ captures the leakage power as follows:
323 \begin{equation}
324   \label{eq:ps}
325    Ps  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
326 \end{equation}
327 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
328 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
329 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
330 to execute a given program can be computed as:
331 \begin{equation}
332   \label{eq:eind}
333    E_\textit{ind} =  Pd \cdot Tcp + Ps \cdot T
334 \end{equation}
335 where $T$ is the execution time of the program, $Tcp$ is the computation
336 time and $Tcp \le T$.  $Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
337 communication and no slack time.
338
339 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
340 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
341 constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the dynamic
342 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
343 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
344 ratio between the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).
345 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
346 system's kernel to lower a core's frequency. The new frequency 
347 $F_{new}$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as follows:
348 \begin{equation}
349   \label{eq:fnew}
350    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
351 \end{equation}
352 Replacing $F_{new}$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following 
353 equation for dynamic power consumption:
354 \begin{multline}
355   \label{eq:pdnew}
356    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
357    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
358 \end{multline}
359 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
360 new frequency and the maximum frequency respectively.
361
362 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
363 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
364 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
365 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
366 and is given by the following equation:
367 \begin{equation}
368   \label{eq:Edyn}
369    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
370 \end{equation}
371 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
372 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
373  the static power of a processor is considered as constant 
374 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
375 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
376 According to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
377 is the sum of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
378 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
379 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
380 \begin{equation}
381   \label{eq:Estatic}
382  E_\textit{s} = Ps \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
383 \end{equation}
384
385 In  the  considered  heterogeneous  platform,  each  processor  $i$  might  have
386 different   dynamic  and  static   powers,  noted   as  $Pd_{i}$   and  $Ps_{i}$
387 respectively.  Therefore,  even if  the  distributed  message passing  iterative
388 application  is  load balanced,  the  computation time  of  each  CPU $i$  noted
389 $Tcp_{i}$ might  be different and  different frequency scaling factors  might be
390 computed in order to decrease  the overall energy consumption of the application
391 and reduce slack  times.  The communication time of a processor  $i$ is noted as
392 $Tcm_{i}$  and could  contain slack  times when  communicating  with slower
393 nodes,  see figure(\ref{fig:heter}).  Therefore,  all nodes  do  not have  equal
394 communication  times. While  the dynamic  energy  is computed  according to  the
395 frequency  scaling   factor  and   the  dynamic  power   of  each  node   as  in
396 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed  as the sum of the execution time
397 of  one iteration multiplied  by the static  power of  each processor.   The overall
398 energy consumption of a message  passing distributed application executed over a
399 heterogeneous platform during one iteration  is the summation of all dynamic and
400 static energies for each processor.  It is computed as follows:
401 \begin{multline}
402   \label{eq:energy}
403  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
404  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
405   {MinTcm))}
406  \end{multline}
407
408 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
409 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
410 application and thus, increase the static energy because the execution time is
411 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption for the iterative 
412 application can be measured by measuring  the energy consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) 
413 multiplied by the number of iterations of that application.
414
415
416 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
417 \label{sec.compet}
418
419 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
420 energy efficient  execution of an  application. Indeed, even though  the dynamic
421 power  is  reduced  while  scaling  down  the  frequency  of  a  processor,  its
422 computation power  is proportionally decreased. Hence, the  execution time might
423 be drastically  increased and  during that time,  dynamic and static  powers are
424 being consumed.  Therefore,  it might cancel any gains  achieved by scaling down
425 the frequency of all nodes to  the minimum and the overall energy consumption of
426 the application might not  be the optimal one.  It is not  trivial to select the
427 appropriate frequency  scaling factor for  each processor while  considering the
428 characteristics  of each  processor  (computation power,  range of  frequencies,
429 dynamic  and static  powers)  and the  task executed  (computation/communication
430 ratio). The  aim being  to reduce  the overall energy  consumption and  to avoid
431 increasing    significantly    the    execution    time.   In    our    previous
432 work~\cite{Our_first_paper},  we  proposed a  method  that  selects the  optimal
433 frequency scaling factor  for a homogeneous cluster executing  a message passing
434 iterative synchronous  application while giving  the best trade-off  between the
435 energy consumption and  the performance for such applications.   In this work we
436 are  interested  in heterogeneous  clusters  as  described  above.  Due  to  the
437 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should
438 be selected and  it must give the best trade-off  between energy consumption and
439 performance.
440
441 The  relation between  the  energy consumption  and  the execution  time for  an
442 application  is complex  and nonlinear,  Thus, unlike  the relation  between the
443 execution time and  the scaling factor, the relation between  the energy and the
444 frequency   scaling    factors   is   nonlinear,   for    more   details   refer
445 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.   Moreover,  these relations
446 are not  measured using the same  metric.  To solve this  problem, the execution
447 time is normalized by computing the  ratio between the new execution time (after
448 scaling  down the  frequencies of  some processors)  and the  initial  one (with
449 maximum frequency for all nodes) as follows:
450 \begin{multline}
451   \label{eq:pnorm}
452   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
453        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
454            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
455 \end{multline}
456
457
458 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the consumed energy 
459 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
460 \begin{multline}
461   \label{eq:enorm}
462   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
463   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
464  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
465  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
466 \end{multline} 
467 Where $E_\textit{Reduced}$ and $E_\textit{Original}$ are computed using (\ref{eq:energy}) and
468   $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in (\ref{eq:pnorm}).
469
470 While the main 
471 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
472 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
473 to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the vector  of frequency
474 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
475 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
476 reduction with minimum execution time reduction.  
477   
478 This problem can be solved by making the optimization process for energy and 
479 execution time following the same direction.  Therefore, the equation of the 
480 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance equation, as follows:
481 \begin{multline}
482   \label{eq:pnorm_inv}
483   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
484           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
485             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
486 \end{multline}
487
488
489 \begin{figure}
490   \centering
491   \subfloat[Homogeneous platform]{%
492     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
493   
494   
495   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
496     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
497   \label{fig:rel}
498   \caption{The energy and performance relation}
499 \end{figure}
500
501 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum distance
502 between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the  performance
503 curve (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
504 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
505 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}). Then the objective
506 function has the following form:
507 \begin{equation}
508   \label{eq:max}
509   Max Dist = 
510   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
511       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
512        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
513 \end{equation}
514 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each node. 
515 Then, the optimal set of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
516 The objective function can work with any energy model or any power values for each node 
517 (static and dynamic powers). However, the most important energy reduction gain can be achieved when 
518 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}.
519
520 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
521 \label{sec.optim}
522
523 \subsection{The algorithm details}
524 In this section, algorithm \ref{HSA} is presented. It selects the frequency scaling factors 
525 vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing 
526 the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous 
527 platform. It works online during the execution time of the iterative message passing program.  
528 It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the 
529 communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first 
530 iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective 
531 function (\ref{eq:max}). The program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs 
532 according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution 
533 of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called 
534 in the iterative MPI program.
535
536 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message 
537 passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their 
538 computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). 
539 These periods are called idle or slack times. 
540 The algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the 
541 frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase 
542 the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of 
543 fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely 
544 proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency 
545 scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the 
546 computation time of the node $i$ as follows:
547 \begin{equation}
548   \label{eq:Scp}
549  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
550 \end{equation}
551 Using the initial  frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
552 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
553 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
554 \begin{equation}
555   \label{eq:Fint}
556  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
557 \end{equation}
558 If the computed  initial frequency for a  node is not available in  the gears of
559 that  node,  it  is replaced  by  the  nearest  available frequency.  In  figure
560 (\ref{fig:st_freq}), the nodes are sorted by their computing power in ascending
561 order and the  frequencies of the faster nodes are scaled  down according to the
562 computed initial  frequency scaling factors.  The resulting new  frequencies are
563 colored in  blue in figure (\ref{fig:st_freq}).  This set of  frequencies can be
564 considered  as a higher  bound for  the search  space of  the optimal  vector of
565 frequencies because  selecting frequency scaling factors higher  than the higher
566 bound will not  improve the performance of the application  and it will increase
567 its  overall  energy  consumption.  Therefore  the algorithm  that  selects  the
568 frequency  scaling   factors  starts  the  search  method   from  these  initial
569 frequencies and takes a downward  search direction toward lower frequencies. The
570 algorithm  iterates on all  left frequencies,  from the  higher bound  until all
571 nodes  reach  their  minimum   frequencies,  to  compute  their  overall  energy
572 consumption and  performance, and select  the optimal frequency  scaling factors
573 vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node according to
574 the equation (\ref{eq:perf}) and keeps  its frequency unchanged, while it lowers
575 the  frequency  of  all  other  nodes  by one  gear.   The  new  overall  energy
576 consumption  and  execution time  are  computed  according  to the  new  scaling
577 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
578 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
579
580 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}  illustrate the normalized performance and
581 consumed  energy for  an application  running on  a homogeneous  platform  and a
582 heterogeneous platform respectively while increasing the scaling factors. It can
583 be noticed  that in a  homogeneous platform the  search for the  optimal scaling
584 factor should start  from the maximum frequency because  the performance and the
585 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand,
586 in the heterogeneous platform the  performance is maintained at the beginning of
587 the plot  even if the  frequencies of the  faster nodes decrease  until the
588 computing power of scaled down  nodes are lower than the slowest  node. In other
589 words, until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher
590 the difference between the faster nodes  and the slower nodes is, the bigger the
591 maximum distance  between the  energy curve and  the performance curve  is while
592  the scaling factors are varying which results in bigger energy savings.
593 \begin{figure}[t]
594   \centering
595     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
596   \caption{Selecting the initial frequencies}
597   \label{fig:st_freq}
598 \end{figure}
599
600
601
602
603 \begin{algorithm}
604   \begin{algorithmic}[1]
605     % \footnotesize
606     \Require ~
607     \begin{description}
608     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
609     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
610     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
611     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
612     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
613     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
614     \end{description}
615     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
616
617     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
618     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
619     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
620     \If{(not the first frequency)}
621           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
622     \EndIf 
623     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
624     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
625     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
626     \State $Dist \gets 0 $
627     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
628         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
629         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
630         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
631         \EndIf
632        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
633        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
634                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
635        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
636        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
637       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
638         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
639         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
640       \EndIf
641     \EndWhile
642     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
643   \end{algorithmic}
644   \caption{frequency scaling factors selection algorithm}
645   \label{HSA}
646 \end{algorithm}
647
648 \begin{algorithm}
649   \begin{algorithmic}[1]
650     % \footnotesize
651     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
652       \State Computations section.
653       \State Communications section.
654       \If {$(k=1)$}
655         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
656                communication from each node.
657         \State Call algorithm \ref{HSA}.
658         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
659                returned optimal scaling factors.
660         \State Set the new frequencies to nodes.
661       \EndIf
662     \EndFor
663   \end{algorithmic}
664   \caption{DVFS algorithm}
665   \label{dvfs}
666 \end{algorithm}
667
668 \subsection{The evaluation of the proposed algorithm}
669 \label{sec.verif.algo}
670 The precision  of the  proposed algorithm mainly  depends on the  execution time
671 prediction model  defined in  (\ref{eq:perf}) and the  energy model  computed by
672 (\ref{eq:energy}).   The energy  model is  also significantly  dependent  on the
673 execution  time model  because  the static  energy  is linearly  related to  the
674 execution time  and the dynamic energy  is related to the  computation time. So,
675 all the works presented  in this paper are based on the  execution time model. To
676 verify  this  model, the  predicted  execution time  was  compared  to the  real
677 execution          time           over          SimGrid/SMPI          simulator,
678 v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile},   for   all   the   NAS
679 parallel benchmarks NPB v3.3  \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}, running class B on
680 8 or  9 nodes. The comparison showed  that the proposed execution  time model is
681 very precise, the maximum  normalized difference between the predicted execution
682 time and the real execution time is equal to 0.03 for all the NAS benchmarks.
683
684 Since  the proposed algorithm is not an exact method it does not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
685 in the search space. To prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
686 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
687 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
688 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
689 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
690 table~\ref{table:platform}, it takes on average \np[ms]{0.04}  for 4 nodes and \np[ms]{0.15} on average for 144 nodes 
691 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
692 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
693 vector of frequency scaling factors that gives the results of the next sections.
694
695 \section{Experimental results}
696 \label{sec.expe}
697 To  evaluate the  efficiency and  the  overall energy  consumption reduction  of
698 algorithm~\ref{HSA}, it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3. The
699 experiments were executed on the  simulator SimGrid/SMPI which offers easy tools
700 to create a heterogeneous platform and run message passing applications over it.
701 The heterogeneous  platform that was used  in the experiments, had  one core per
702 node because just one process was executed per node.  The heterogeneous platform
703 was  composed  of  four  types  of  nodes. Each  type  of  nodes  had  different
704 characteristics  such as  the maximum  CPU  frequency, the  number of  available
705 frequencies  and the  computational power,  see Table  \ref{table:platform}. The
706 characteristics  of  these  different  types  of nodes  are  inspired  from  the
707 specifications of real  Intel processors.  The heterogeneous platform  had up to
708 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, for example if
709 a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the
710 constructors of  CPUs do not specify the  dynamic and the static  power of their
711 CPUs, for  each type of  node they were  chosen proportionally to  its computing
712 power  (FLOPS).  In  the initial  heterogeneous platform,  while  computing with
713 highest frequency,  each node  consumed an amount  of power proportional  to its
714 computing  power  (which  corresponds to  80\%  of  its  dynamic power  and  the
715 remaining  20\%  to  the  static   power),  the  same  assumption  was  made  in
716 \cite{Our_first_paper,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.    Finally,  These
717 nodes were connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
718
719
720 \begin{table}[htb]
721   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
722   % title of Table
723   \centering
724   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
725     \hline
726     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
727     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
728                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
729     \hline
730     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~w         &4~w    \\
731          
732     \hline
733     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~w         &5~w    \\
734                   
735     \hline
736     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~w         &6~w    \\
737                   
738     \hline
739     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~w         &7~w    \\
740                   
741     \hline
742   \end{tabular}
743   \label{table:platform}
744 \end{table}
745
746  
747 %\subsection{Performance prediction verification}
748
749
750 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
751 \label{sec.res}
752
753
754 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG,
755 MG, FT, BT, LU and SP) and  the benchmarks were executed with the three classes:
756 A, B and C. However, due to the lack of space in this paper, only the results of
757 the  biggest class,  C, are  presented while  being run  on different  number of
758 nodes,  ranging from 4  to 128  or 144  nodes depending  on the  benchmark being
759 executed. Indeed, the benchmarks CG, MG, LU, EP and FT had to be executed on $1,
760 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes.   The other benchmarks such as BT and SP had to
761 be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
762
763  
764  
765 \begin{table}[htb]
766   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
767   % title of Table
768   \centering
769   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
770     \hline
771     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
772     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
773     \hline
774     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
775     \hline 
776     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
777    \hline
778     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
779    \hline
780     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
781     \hline
782     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
783    \hline
784     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
785    \hline
786     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
787 \hline 
788   \end{tabular}
789   \label{table:res_4n}
790 \end{table}
791
792 \begin{table}[htb]
793   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
794   % title of Table
795   \centering
796   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
797     \hline
798     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
799     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
800     \hline
801     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
802     \hline 
803     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
804    \hline
805     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
806    \hline
807     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
808     \hline
809     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
810    \hline
811     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
812    \hline
813     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
814 \hline 
815   \end{tabular}
816   \label{table:res_8n}
817 \end{table}
818
819 \begin{table}[htb]
820   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
821   % title of Table
822   \centering
823   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
824     \hline
825     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
826     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
827     \hline
828     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
829     \hline 
830     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
831    \hline
832     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
833    \hline
834     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
835     \hline
836     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
837    \hline
838     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
839    \hline
840     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
841 \hline 
842   \end{tabular}
843   \label{table:res_16n}
844 \end{table}
845
846 \begin{table}[htb]
847   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
848   % title of Table
849   \centering
850   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
851     \hline
852     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
853     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
854     \hline
855     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
856     \hline 
857     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
858    \hline
859     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
860    \hline
861     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
862     \hline
863     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
864    \hline
865     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
866    \hline
867     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
868 \hline 
869   \end{tabular}
870   \label{table:res_32n}
871 \end{table}
872
873 \begin{table}[htb]
874   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
875   % title of Table
876   \centering
877   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
878     \hline
879     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
880     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
881     \hline
882     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
883     \hline 
884     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
885    \hline
886     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
887    \hline
888     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
889     \hline
890     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
891    \hline
892     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
893    \hline
894     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
895 \hline 
896   \end{tabular}
897   \label{table:res_64n}
898 \end{table}
899
900
901 \begin{table}[htb]
902   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
903   % title of Table
904   \centering
905   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
906     \hline
907     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
908     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
909     \hline
910     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
911     \hline 
912     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
913    \hline
914     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
915    \hline
916     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
917     \hline
918     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
919    \hline
920     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
921    \hline
922     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
923 \hline 
924   \end{tabular}
925   \label{table:res_128n}
926 \end{table}
927 The overall energy  consumption was computed for each  instance according to the
928 energy  consumption  model  (\ref{eq:energy}),  with and  without  applying  the
929 algorithm. The execution time was also measured for all these experiments. Then,
930 the energy saving and performance degradation percentages were computed for each
931 instance.    The   results   are   presented  in   Tables   (\ref{table:res_4n},
932 \ref{table:res_8n},           \ref{table:res_16n},          \ref{table:res_32n},
933 \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). All these results are the average
934 values  from many experiments  for energy  savings and  performance degradation.
935 The tables show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks
936 on  different  number  of  nodes.   The  experiments  show  that  the  algorithm
937 significantly reduces the energy consumption (up to 35\%) and tries to limit the
938 performance  degradation.  They  also  show that  the  energy saving  percentage
939 decreases when the  number of computing nodes increases.   This reduction is due
940 to the increase of the communication  times compared to the execution times when
941 the benchmarks are run over a high number of nodes.  Indeed, the benchmarks with
942 the  same  class,  C,  are  executed  on different  numbers  of  nodes,  so  the
943 computation required  for each iteration is  divided by the  number of computing
944 nodes.  On the other hand,  more communications are required when increasing the
945 number  of  nodes so  the  static energy  increases  linearly  according to  the
946 communication time and the dynamic power  is less relevant in the overall energy
947 consumption.   Therefore, reducing the  frequency with  algorithm~(\ref{HSA}) is
948 less effective  in reducing the overall  energy savings. It can  also be noticed
949 that for the benchmarks EP and  SP that contain little or no communications, the
950 energy savings are  not significantly affected by the high  number of nodes.  No
951 experiments were conducted  using bigger classes than D,  because they require a
952 lot  of memory (more  than 64GB)  when being  executed by  the simulator  on one
953 machine.   The maximum  distance between  the  normalized energy  curve and  the
954 normalized performance for each instance is  also shown in the result tables. It
955 decrease in the same way as  the energy saving percentage.  The tables also show
956 that the performance degradation  percentage is not significantly increased when
957 the number  of computing  nodes is increased  because the computation  times are
958 small when compared to the communication times.
959
960
961  
962 \begin{figure}
963   \centering
964   \subfloat[Energy saving]{%
965     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
966   
967   \subfloat[Performance degradation ]{%
968     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
969   \label{fig:avg}
970   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with a different number of nodes}
971 \end{figure}
972
973 Figures  \ref{fig:energy} and  \ref{fig:per_deg} present  the energy  saving and
974 performance  degradation respectively for  all the  benchmarks according  to the
975 number of used nodes. As shown  in the first plot, the energy saving percentages
976 of the benchmarks MG,  LU, BT and FT decrease linearly when  the number of nodes
977 increase. While  for the EP and  SP benchmarks, the energy  saving percentage is
978 not affected by the increase of  the number of computing nodes, because in these
979 benchmarks there are little or  no communications. Finally, the energy saving of
980 the  GC benchmark  significantly  decrease  when the  number  of nodes  increase
981 because this benchmark has more  communications than the others. The second plot
982 shows that  the performance  degradation percentages of  most of  the benchmarks
983 decrease when  they run on a  big number of  nodes because they spend  more time
984 communicating than computing,  thus, scaling down the frequencies  of some nodes
985 has less effect on the performance.
986
987
988
989
990 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
991 \label{sec.compare}
992 The results  of the previous section  were obtained while  using processors that
993 consume during  computation an overall power  which is 80\%  composed of dynamic
994 power and of 20\% of static power. In this section, these ratios are changed and
995 two new  power scenarios are  considered in order  to evaluate how  the proposed
996 algorithm adapts itself  according to the static and  dynamic power values.  The
997 two new power scenarios are the following:
998
999 \begin{itemize}
1000 \item 70\% of dynamic power  and 30\% of static power
1001 \item 90\% of dynamic power  and 10\% of static power
1002 \end{itemize}
1003
1004 The NAS parallel benchmarks were  executed again over processors that follow the
1005 new power scenarios.   The class C of each  benchmark was run over 8  or 9 nodes
1006 and   the    results   are   presented   in    Tables   \ref{table:res_s1}   and
1007 \ref{table:res_s2}. These tables  show that the energy saving  percentage of the
1008 70\%-30\% scenario is  smaller for all benchmarks compared  to the energy saving
1009 of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in  the latter more dynamic power is consumed
1010 when  nodes are running  on their  maximum frequencies,  thus, scaling  down the
1011 frequency of  the nodes results in  higher energy savings than  in the 70\%-30\%
1012 scenario. On the  other hand, the performance degradation  percentage is smaller
1013 in the 70\%-30\% scenario compared to the 90\%-10\% scenario. This is due to the
1014 higher  static  power percentage  in  the first  scenario  which  makes it  more
1015 relevant in the  overall consumed energy.  Indeed, the  static energy is related
1016 to the execution time and if  the performance is degraded the amount of consumed
1017 static  energy directly  increas.  Therefore,  the proposed  algorithm  does not
1018 really significantly  scale down much the  frequencies of the nodes  in order to
1019 limit the  increase of the  execution time and  thus limiting the effect  of the
1020 consumed static energy.
1021
1022 Both   new  power   scenarios   are  compared   to   the  old   one  in   figure
1023 (\ref{fig:sen_comp}). It  shows the average of the  performance degradation, the
1024 energy saving and the  distances for all NAS benchmarks of class  C running on 8
1025 or 9 nodes.   The comparison shows that the energy  saving ratio is proportional
1026 to the dynamic power ratio: it is increased when applying the 90\%-10\% scenario
1027 because at  maximum frequency  the dynamic  energy is the  most relevant  in the
1028 overall consumed  energy and can  be reduced by  lowering the frequency  of some
1029 processors. On  the other hand, the  energy saving decreases  when the 70\%-30\%
1030 scenario is  used because  the dynamic  energy is less  relevant in  the overall
1031 consumed energy and  lowering the frequency does not  return big energy savings.
1032 Moreover, the average  of the performance degradation is  decreased when using a
1033 higher  ratio   for  static  power  (e.g.   70\%-30\%   scenario  and  80\%-20\%
1034 scenario). Since  the proposed algorithm  optimizes the energy  consumption when
1035 using a  higher ratio for dynamic  power the algorithm  selects bigger frequency
1036 scaling  factors that result  in more  energy saving  but less  performance, for
1037 example see  Figure (\ref{fig:scales_comp}). The  opposite happens when  using a
1038 higher  ratio for  static power,  the algorithm  proportionally  selects smaller
1039 scaling  values which result  in less  energy saving  but also  less performance
1040 degradation.
1041
1042
1043  \begin{table}[htb]
1044   \caption{The results of the 70\%-30\% power scenario}
1045   % title of Table
1046   \centering
1047   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
1048     \hline
1049     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1050     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1051     \hline
1052     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
1053     \hline 
1054     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
1055    \hline
1056     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
1057    \hline
1058     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
1059     \hline
1060     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
1061    \hline
1062     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
1063    \hline
1064     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
1065 \hline 
1066   \end{tabular}
1067   \label{table:res_s1}
1068 \end{table}
1069
1070
1071
1072 \begin{table}[htb]
1073   \caption{The results of the 90\%-10\% power scenario}
1074   % title of Table
1075   \centering
1076   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
1077     \hline
1078     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1079     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1080     \hline
1081     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1082     \hline 
1083     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1084    \hline
1085     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1086    \hline
1087     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1088     \hline
1089     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1090    \hline
1091     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1092    \hline
1093     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1094 \hline 
1095   \end{tabular}
1096   \label{table:res_s2}
1097 \end{table}
1098
1099
1100 \begin{figure}
1101   \centering
1102   \subfloat[Comparison  between the results on 8 nodes]{%
1103     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1104
1105   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1106     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1107   \label{fig:comp}
1108   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1109 \end{figure}  
1110
1111
1112
1113
1114 \subsection{The comparison of the proposed scaling algorithm }
1115 \label{sec.compare_EDP}
1116 In this section, the scaling  factors selection algorithm, called MaxDist,
1117 is compared to Spiliopoulos et al. algorithm \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, called EDP. 
1118 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, $EDP=Enegry*Delay$ using the predicted overall energy consumption and execution time delay for each frequency.
1119 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 
1120 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.
1121
1122 Both algorithms were applied to the parallel NAS benchmarks to compare their efficiency. Table \ref{table:compare_EDP}  presents the results of comparing the execution times and the energy consumptions for both versions of the NAS benchmarks while running the class C of each benchmark over 8 or 9 heterogeneous nodes. The results show that our algorithm provides better energy savings than Spiliopoulos et al. algorithm, 
1123 on average it results in 29.76\% energy saving while their algorithm returns just 25.75\%. The average of performance degradation percentage is approximately the same for both algorithms, about 4\%. 
1124
1125
1126 For all benchmarks,  our algorithm outperforms Spiliopoulos et  al. algorithm in
1127 terms of  energy and  performance tradeoff, see  figure (\ref{fig:compare_EDP}),
1128 because it maximizes the distance  between the energy saving and the performance
1129 degradation values while giving the same weight for both metrics.
1130
1131
1132
1133
1134 \begin{table}[h]
1135  \caption{Comparing the proposed algorithm}
1136  \centering
1137 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|}
1138 \hline
1139 \multicolumn{2}{|l|}{\multirow{2}{*}{\begin{tabular}[c]{@{}l@{}}Program \\ name\end{tabular}}} & \multicolumn{2}{l|}{Energy saving \%} & \multicolumn{2}{l|}{Perf.  degradation \%} & \multicolumn{2}{l|}{Distance} \\ \cline{3-8} 
1140 \multicolumn{2}{|l|}{}                                                                         & EDP             & MaxDist          & EDP            & MaxDist           & EDP          & MaxDist        \\ \hline
1141 \multicolumn{2}{|l|}{CG}                                                                       & 27.58           & 31.25            & 5.82           & 7.12              & 21.76        & 24.13          \\ \hline
1142 \multicolumn{2}{|l|}{MG}                                                                       & 29.49           & 33.78            & 3.74           & 6.41              & 25.75        & 27.37          \\ \hline
1143 \multicolumn{2}{|l|}{LU}                                                                       & 19.55           & 28.33            & 0.0            & 0.01              & 19.55        & 28.22          \\ \hline
1144 \multicolumn{2}{|l|}{EP}                                                                       & 28.40           & 27.04            & 4.29           & 0.49              & 24.11        & 26.55          \\ \hline
1145 \multicolumn{2}{|l|}{BT}                                                                       & 27.68           & 32.32            & 6.45           & 7.87              & 21.23        & 24.43          \\ \hline
1146 \multicolumn{2}{|l|}{SP}                                                                       & 20.52           & 24.73            & 5.21           & 2.78              & 15.31         & 21.95         \\ \hline
1147 \multicolumn{2}{|l|}{FT}                                                                       & 27.03           & 31.02            & 2.75           & 2.54              & 24.28        & 28.48           \\ \hline
1148
1149 \end{tabular}
1150 \label{table:compare_EDP}
1151 \end{table}
1152
1153
1154
1155
1156
1157 \begin{figure}[t]
1158   \centering
1159    \includegraphics[scale=0.5]{fig/compare_EDP.pdf}
1160   \caption{Tradeoff comparison for NAS benchmarks class C}
1161   \label{fig:compare_EDP}
1162 \end{figure}
1163
1164
1165 \section{Conclusion}
1166 \label{sec.concl} 
1167 In this paper, a new online frequency selecting algorithm has been presented. It
1168 selects the  best possible  vector of frequency  scaling factors that  gives the
1169 maximum  distance  (optimal  tradeoff)  between  the predicted  energy  and  the
1170 predicted performance curves for a heterogeneous platform. This algorithm uses a
1171 new  energy  model  for  measuring  and predicting  the  energy  of  distributed
1172 iterative  applications running  over heterogeneous  platforms. To  evaluate the
1173 proposed method, it was applied on the NAS parallel benchmarks and executed over
1174 a heterogeneous  platform simulated by  Simgrid. The results of  the experiments
1175 showed that the algorithm reduces up to 35\% the energy consumption of a message
1176 passing iterative method while limiting  the degradation of the performance. The
1177 algorithm also selects different scaling  factors according to the percentage of
1178 the computing and communication times, and according to the values of the static
1179 and  dynamic  powers  of the  CPUs.   Finally,  the  algorithm was  compared  to
1180 Spiliopoulos et al.  algorithm and  the results showed that it outperforms their
1181 algorithm in terms of energy-time tradeoff.
1182
1183 In the near future, this method  will be applied to real heterogeneous platforms
1184 to evaluate its  performance in a real study case. It  would also be interesting
1185 to evaluate its scalability over large scale heterogeneous platforms and measure
1186 the energy  consumption reduction it can  produce.  Afterward, we  would like to
1187 develop a similar method that  is adapted to asynchronous iterative applications
1188 where  each task  does not  wait for  other tasks  to finish  their  works.  The
1189 development of such a method might require a new energy model because the number
1190 of iterations is  not known in advance and depends on  the global convergence of
1191 the iterative system.
1192
1193 \section*{Acknowledgment}
1194
1195 This work has been partially supported by the Labex
1196 ACTION project (contract “ANR-11-LABX-01-01”). As a PhD student, 
1197 Mr. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
1198 Babylon (Iraq) for supporting his work. 
1199
1200
1201 % trigger a \newpage just before the given reference
1202 % number - used to balance the columns on the last page
1203 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1204 % the document is modified later
1205 %\IEEEtriggeratref{15}
1206
1207 \bibliographystyle{IEEEtran}
1208 \bibliography{IEEEabrv,my_reference}
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