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some changes
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9
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14
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16
17 %% used to put some subscripts lower, and make them more legible
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19
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50
51
52
53 \begin{document}
54
55 \title{Answers to the questions of the reviewers}
56 \maketitle
57
58 We would like to thank the reviewers for taking time to review our paper. Their remarks were very constructive and allowed us to improve our paper and clarify some ambiguous points. We took in consideration all the remarks of the reviewers and modified the paper accordingly. In the following sections, the reviewers can find our answers to their questions:
59
60 \section{Questions and remarks of the first reviewer} 
61
62 \begin{enumerate}
63
64
65
66 \item In Sec. 5, I found intriguing the fact of executing Algorithm 1 only
67 after the first iteration. I agree with you that your model finds the
68 best trade-off given some data, but what about the variability? We
69 know computer systems today always show some variability. You are
70 measuring the computation time and energy consumption for one
71 iteration only. Let's suppose something went bad in this first
72 iteration. The scaling factors will not be the best tradeoff because
73 variability has been ignored. What would be the solution for that?
74 Consider variability in the model. 
75
76 \textbf{Answer:} In this paper we have considered that the application executes regular iterations over stable computers computing only this application. Therefore, we have assumed that the execution times of all the iterations of the application executed on the same computing node should be almost the same. For this reason we did not take into consideration the variability of the computer system. Moreover, applying the frequency scaling algorithm after many iterations would reduce its impact on the energy consumption especially for applications executing a relatively low number of iterations. 
77
78 However, the variability of the computing system can be taken into consideration in a future work. For example, the proposed algorithm can be executed twice: after the first iteration the frequencies are scaled down according to the execution times measured in the first iteration, then after a fixed number of iterations, the frequencies are adjusted according to the execution times measured during the fixed number of iterations. If the  computing power of the system is constantly changing, it would be interesting to implement a mechanism that detects this change and adjusts the frequencies according to the variability of the system. 
79
80  Taking account of the variability of the system has been added as a perspective at the end of the paper.
81
82
83 \item Another point is that you mention
84 in the abstract and introduction that your solution has low overhead,
85 but it is a centralized solution. Probably it won't scale when we
86 reach hundreds or thousands of computer nodes: take one of that large
87 machines for example. In this paper experiments, only 16 and 32 nodes
88 where considered.
89
90 \textbf{Answer:}
91 We agree with the reviewer that the algorithm is centralized and might be a bottleneck if it was applied to an application running on many thousands of nodes. However, up to 144 nodes in a heterogeneous cluster, the overhead of the algorithm was very small, 0.15 ms, as presented in the simulation results of \cite{5}. We did not execute experiments with more than 32 nodes on Grid'5000 because it does not have many nodes that allow DVFS operations and have energy measurement tools. 
92
93 On the other hand, the scalability of the proposed algorithm can be improved if we use asynchronous computations or if the algorithm was distributed in a hierarchical manner where a leader is chosen for each cluster or a group of nodes  to compute their scaled frequencies. Improving the scalability of the algorithm is beyond the scope of this paper.
94
95
96
97 \item In Fig 6, you draw lines between the points. Lines here mean nothing
98 since you are changing the benchmark. I would replot using for
99 instance a non-stacked bar plot with four colors (one site/16, one 
100 site/32, two sites/16, two sites/32). I believe it would be much
101 easier to compare and avoid the problem of lines.
102
103  \textbf{Answer:} We agree with the reviewer. The curves in Figures 6 and 8 in the paper were replaced by histograms.
104  
105
106
107
108 \item About the discussion of results shown in Fig 7, one consideration
109 draws my attention: "(...) the increase in the number of computing
110 nodes can increase the communication times and thus produces less
111 energy saving depending on the benchmarks being executed.". I agree
112 with you that for very large applications, synchronous collective
113 operations are very costly (take a very simple MPI-Allgather for
114 instance). You say that on scale this would produce less energy
115 savings, but your arguments for providing a solution for this was
116 based that today's supercomputers are achieving massive scale.
117
118 \textbf{Answer:} In Figure 7, the energy consumption of the benchmarks solving the class D and running on many scenarios are presented. The number of used nodes varies between 16 and 32 in the scenarios while the size of the problem is not modified. Therefore, the computations to communications times ratio is lower when 32 nodes are used instead of 16. When this ratio is small, it means there are not enough computations when compared to the communications times and the impact of scaling down the frequency of the CPU on its energy consumption is reduced. To solve this problem, the problem 
119 should be solved on a number of nodes adequate to its size. For example, for the NAS benchmarks, the class E should have been solved on 32 nodes to have a good computations to communications times ratio.  
120
121
122 \item In Sec 6.3, why did you choose to keep 32 processes for the evaluation
123 with multi-core clusters? How did you configure MPI for the results
124
125 \textbf{Answer:} In section 6.3, we wanted to evaluate how much energy can be saved when applying the proposed algorithm to message passing applications with iterations running over a grid composed of multi-core nodes. Therefore, the same experiments as in section 6.2 were conducted on the new  multi-core platform. Instead of running one process per node as in the previous section, 3 or 4 processes were executed on each multi-core node. The total number of processes, 32 processes, was not modified in order to fairly compare the single core and the multi-core versions. 
126
127 Only the architecture file was modified between the single and the multi-core architectures. For the single core architecture, the architecture file contains the name of 32 different nodes. For the multi-core architecture, the architecture file contains less nodes and for every node 3 or 4 slots (cores) are used. The total number of slots is equal to 32.
128
129  
130
131 \item shown in Fig 8a? Some MPI implementations have an option to use shared
132 memory when processes share the same processor. I agree with you in
133 the explanation of the network card utilization, but this
134 shared-memory optimization is possible (sometimes automatically
135 detected by MPI if you pin processes to cores).
136
137 \textbf{Answer:} We did not  manually pin processes to cores. Since the communication times  
138 increased, we think that the shared memory was not used when two processes, running on the same node, exchange data.
139
140 \item In P33, Sec 6.5, you mention that the proposed algorithm outperforms
141 EDP because the former considers both metrics (time, energy) and the
142 same time. EDP does also, but using a single metric which you have
143 defined: energy x execution time. I think this is only a matter of
144 phrasing.
145
146  \textbf{Answer:}  We agree with the reviewer, EDP also uses two metrics in the objective function: energy and delay. The sentence in the paper was modified to clarify this misunderstanding. The main difference between our algorithm and the EDP method is the used objective function. For EDP, the product of energy and delay must be minimized, while for our algorithm, the difference between the normalized performance and the normalized energy should be maximized. This new formulation of the objective function allows our algorithm to select the set of frequencies that gives the best tradeoff between the energy consumption and the performance. The objective function of EDP does not give the same frequencies as our algorithm and thus it is outperformed by our method. The results of the experiments confirm that the objective function used by our algorithm  is more efficient than the one used by EDP.
147
148
149 \item Other complementary points to consider:
150
151 + P2, L51: there are three dots that looks like an error.
152
153 + P4, L36: also unusual three dots at the end of paragraph.
154
155 + P14 also has three dots in phrase endings. I consider this bad writing style.
156
157 + Fig 2b is missing the X scale ticks. You could show some examples of vectors.
158
159 + P23: "static power is assumed to be equal to 20\% of dynamic". Provide citation.
160
161 + Fig 6 is referenced in P23, but appears only in P25. Hard to read.
162
163 + Same for Fig 7.
164
165   \textbf{Answer:} Answer: We have taken in consideration all these remarks and the paper was modified accordingly.
166
167 \item From the design of experiments, did you consider using replications?
168 There is no variability metric in your results. Have you run multiple
169 times and got the average (execution time and energy consumption)? I
170 feel that such variability needs to be accounted for, otherwise it is
171 very hard to affirm anything about measurements.
172
173  \textbf{Answer:}  Each experiment has been executed many times and the results presented in the 
174  figures are the average values of many executions. Since we have deployed the same operating system on the booked machines and we were the only users executing processes on them during the experiments, no significant variability in the execution time of the applications was noticed. 
175
176
177 \item In summary, I think this is a very interesting work but the experimental evaluation lacks variability measurements, consider larger experiments (1K nodes for instance) to see how everything scales,  and there is no overhead measurements although authors stress that in abstract/introduction.
178
179 \textbf{Answer:} For the time being, we do not have the resources  nor the time to evaluate the proposed algorithm over large platforms composed of more than 1K nodes. However, as said in the perspectives of the paper, the evaluation of the scalability of the algorithm will be in a conducted in a future work as soon as we have access to larger resources. We have discussed the overhead of the algorithm and its complexity in section 6.5 and given in the answer to question 2 some solutions to improve its scalability and reduce its overhead. 
180
181 For the variability issue, please refer to the answer to question 1. 
182
183   
184 \end{enumerate}
185
186
187 \section{Questions and remarks of the second reviewer} 
188
189 \begin{enumerate}
190 \item Move the contributions from related work to introduction
191
192 \item Why emphasize it is a grid platform? the presentation of related work follows the logic of heterogeneous CPUs. Grid is only a type of platform with heterogeneous CPUs.
193
194 \textbf{Answer:} We agree with the reviewer that a grid is a type of heterogeneous architecture and the proposed algorithm can also work on any heterogeneous architecture. 
195
196   In \cite{5}, we have proposed a frequency selection algorithm for distributed applications running on heterogeneous clusters, while in this work,  the proposed algorithm was adapted to the grid architecture which is composed 
197 of homogeneous clusters interconnected by a wide area network which is slower than the local 
198 network in each cluster. 
199
200 \item Define what iterative message passing applications are and give exemplar applications of them targeted by this method. 
201
202 \textbf{Answer:} In order to clarify things, we have replaced in the paper the sentence ``the iterative message passing applications'' with ``the message passing applications with iterations''. Therefore, the proposed algorithm can be applied to any application that executes the same block of instructions many times and it is not limited to iterative methods that repeat the same block of instructions until convergence. 
203
204 Many problems are solved by methods with iterations such as  solving a linear system of equations with Jacobi and Gauss-Seidel methods, Image processing with methods that apply the same instructions for each pixel or block of pixels, etc. 
205
206
207 \item Figure 1 is not clearly explained. Where is the slack time in figure 1 and why slack time =0 for task 1?
208
209
210 \textbf{Answer:} Figure 1 was redrawn, the white   space before the barrier is the slack time. Slack times occur when a node has to wait for another node to finish its computation to synchronously communicate with it.  In Figure 1, task 1 was assumed to be the slowest task. All the other tasks will finish their computations before the slowest task and wait until it finishes its computation before being able to synchronously communicate with it. This waiting time is the slack time and since the slowest task do not have to wait for the other tasks it has almost no slack time.
211
212 \item Define the parameters in eq. 1.
213
214 \textbf{Answer:} Fmax and Fnew have been defined as follows in the paper: ``$\Fmax$ is the maximum frequency before applying any DVFS and $\Fnew$  is the new frequency after applying DVFS''. 
215
216 \item Eq. 2: are you assuming each cluster has the same number of nodes?
217
218 \textbf{Answer:}  No, each cluster can have a different number of nodes. Therefore, in the paper, $M$, the number of nodes in a cluster, was replaced by  $M_i$, the number of nodes in cluster $i$, in all the equations.  
219
220 \item Eq.2 implicitly assumes that there is no overlapping between computation and communication. Is it reasonable?
221
222 \textbf{Answer:} In this paper, only   message passing applications with synchronous and blocking communications were considered. In such applications, there is no overlapping between computations and communications on a node. 
223
224 Asynchronous applications are beyond the scope of this paper and will be considered in a future work. 
225
226 \item Eq. 2 is not clear: 
227 \begin{enumerate}
228 \item How to define and determine the slowest cluster h? the one before scaling or after scaling? 
229
230 \textbf{Answer:}  The slowest node $h$ is the node which takes the  maximum execution time to execute an iteration  before scaling down its  frequency. The previous sentence has been added to the paper.
231  
232
233 \item What is the communication time without slack time?
234
235 \textbf{Answer:} There is no synchronous communications with zero slack times, but if a node sends a message to another node who is already waiting for that message. The latter will acknowledge the reception of the message from the sender without any delay. On the other hand, if the receiving  node is still computing the sender has to wait for it to finish its computation to acknowledge the reception of the message. This time is called the slack time. 
236
237
238 \item In equation, min operation is used to get the communication time, but in text, it says to use the slowest communication time, which should use the max operation then.
239
240 \textbf{Answer:} We agree with the reviewer and the sentence  "the slowest communication time" has been changed to "the communication time of the slowest node" in the paper.
241
242 \end{enumerate}
243
244
245 \item Discuss the difference between eq. 2 and the prediction model in references \cite{4} and \cite{5}.
246
247 \textbf{Answer:}  The prediction models  in \cite{4} and \cite{5} are for homogeneous and heterogeneous clusters respectively, while the model in Equation 2 is adapted for  grids. We have adapted the prediction models to the used architecture. Each architecture has its own characteristics. For example, in a homogeneous cluster all the nodes have the same specifications and only one scaling factor is computed by the algorithm to all the nodes of the cluster. 
248 On the other hand,  in a  heterogeneous cluster, the nodes may have different specifications and a scaling factor should be computed to each node. The prediction models of a heterogeneous cluster can be used for a homogeneous cluster. In the same the models in this paper take more characteristics into considerations such as different networks to be adapted for grids and they can also be applied to a heterogeneous cluster.  Therefore, the  models presented in this paper are more complete than those presented in  \cite{4} and \cite{5} and take more characteristics into consideration. 
249
250
251 \item Eq. 10: Can the authors comment on the energy consumed by communications?
252
253 \textbf{Answer:} During communications, the CPU only consumes the static power power and during computations it consumes both  dynamic and static power. For more information the reviewer can refer to \cite{3}. 
254
255 \item This work assume homogeneous cpu in one cluster. Line 55 says: even if the distributed message
256 passing iterative application is load balanced, the computation time of each cpu j in cluster i may be different  Why?
257
258 \textbf{Answer:} In a homogeneous cluster executing a load balanced distributed  application,  the computation time of each node might be slightly different than the others due to some delay caused
259 by the scheduler of the operating system of the node.
260
261 \item Comment why the applications in NAS parallel benchmark are iterative application? These applications are normally run in one cluster. Describe in more detail how they are run across multiple clusters. 
262
263 \textbf{Answer:} The sentence ``iterative applications'' was replaced by ``applications with iterations'' because the proposed algorithm can be applied to any application that executes the same block of instructions many times and it is not limited to iterative methods that terminate when they converge.  The NAS parallel benchmarks are  application with iterations  because they iterate the same block of instructions until convergence or for fixed number of iterations. These benchmarks can be executed on any distributed memory platform such as clusters or grids with no required modifications. Since, we have deployed the same operating system on all the nodes, we just compile the source on one node and then copy the executable program on all the nodes. The application can then be executed with an ``mpirun'' command that takes three arguments:
264 \begin{itemize}
265 \item the name of the application to execute
266 \item the number of processes required to execute the application 
267 \item the architecture file that contains the names of the nodes that will execute the application. They could be from different clusters.
268
269 \end{itemize}
270 \item Broken sentence in line 28 on page 12.
271
272 \textbf{Answer:} The sentence was corrected.
273
274 \item Why $T_{old}$ is computed using eq. 12, which applies MAX over computation time and communication time, while in  $T_{new}$, max and min operations are applied over computation and communication separately?
275
276 \textcolor{blue}{Answer:  We  agree with the reviewer, $T_{old}$ is the maximum execution time of the application before scaling the frequency and it is computed as in $T_{new}$ equation without scaling factors. So, we have changed the $T_{old}$ in the paper as as follows:
277 \begin{equation}
278   \label{eq:told}
279    T_{old} = \mathop{\max_{i=1,2,\dots,N}}_{j=1,2,\dots,M_i} (\Tcp[ij]) + 
280    \mathop{\min_{i=1,2,\dots,N}} (\Tcm[hj] )           
281 \end{equation}
282 }
283
284 \item Line 55 on page 16 is to define the slack time, which should be introduced at the beginning of the paper, such as in figure 1.
285
286 \textbf{Answer:} We agree with the reviewer and the slack time is now presented at the beginning of the paper.
287
288
289 \item Authors comment whether (and how) the proposed methods can be applied/extended to other programming models and/or platform, such as mapreduce, heterogeneous cluster with CPU+GPU.
290
291 \textbf{Answer:}  The proposed method can only be applied to parallel models with iterations  
292 and with or without message passing. If only a few map and reduce operations are executed in the application and these operations are not iterative, the proposed algorithm cannot be adapted to that type of applications. On the other hand, if the  map or reduce  operations are iterative, the proposed algorithm can be applied  when executing these operations. Finally, if in the application, the same map and reduce operations are executed many times iteratively, the proposed algorithm can then be applied to the whole application while considering that an iteration consists of a map operation followed by a reduce operation.  
293
294 The proposed method with some adaptations can be applied to applications with iterations running on heterogeneous platforms composed of GPUs and CPUs because modern GPUs like CPUs allow the use of DVFS.
295 \end{enumerate}
296
297 \section{Questions and remarks of the third reviewer}
298 \begin{enumerate}
299
300 \item Suggest the authors to use much larger size of nodes, instead of on 16 nodes, distributed on three clusters, to see the scalability of the energy saving
301
302 \textbf{Answer:} The experiments were not only conducted over 16  nodes, but they were also executed  over 32 nodes distributed over three clusters. 
303 In \cite{5} the algorithm was evaluated  on a simulated heterogeneous cluster composed of up to 144 nodes. The overhead of the algorithm was very small, just 0.15 ms.  
304
305  The experiments were not conducted on more than 32 nodes of Grid'5000 because it does not have many nodes that allow DVFS operations and have energy measurement tools. We agree with the reviewer that  experiments using much more nodes should be conducted to evaluate the scalability of the proposed algorithm and when we will have access to such platforms,  we will evaluate the proposed method over a larger number of nodes.
306
307 \item  The energy saving is actually calculated by the quantitative formula instead of the real measurements.  Can you have any  discussions on the real measurements?
308
309 \textbf{Answer:}  This paper does not focus on measuring the energy consumption of CPUs in a grid. It presents models to predict the energy consumption and the performance of an application with iterations running on a grid. These models use the given  dynamic and static powers to predict the energy consumption of each CPU with different scaling factors. Moreover, since we do not have physical access to the nodes of the grid which are geographically distributed on many sites in France, we cannot use hardware tools to measure  the consumption of CPUs. Therefore, we used  Grid'5000's  tool which measures the overall power consumption of a node in real-time. These values were used to deduce the dynamic power of the node when computing with the maximum frequency. 
310  
311  As a future work, it would be  interesting  to compare the accuracy of the results of the proposed energy model to the values given by instruments  that measure the energy consumptions of CPUs during the execution time, as in \cite{2}.
312
313 \item The overhead is not measured, can you present something on this as well to demonstrate what the authors claimed "has a small overhead and works without training or profiling"?
314
315 \textbf{Answer:} In the comparison section 6.5, we have presented the execution time of the algorithm when it is executed over 32 nodes from three clusters and  located in two different sites.  It takes on average 0.01 $ms$. In \cite{5} the algorithm was evaluated  on a simulated heterogeneous cluster composed of up to 144 nodes. The overhead of the algorithm was  just 0.15 ms.  
316
317
318 The algorithm works online without profiling means it only uses the measured communication and computation times during the run-time and do not require to profile the application before run-time. Some methods use profilers before executing the application to gather a lot of information about the application such as computations to communication ratios and dependencies between tasks. The gathered information is used to scale the frequency of each node before executing the application.  
319
320 The algorithm works without training because it does not require the partial or the total execution of the application before run-time. Indeed, some applications run parts of the application while using various frequencies to measure in advance their energy consumption. Then, using these values they select the the frequency of each node before executing the application.  
321
322 \end{enumerate}
323 \bibliographystyle{plain}
324 \bibliography{ref.bib}
325
326
327 \end{document}
328