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[mpi-energy2.git] / mpi-energy2-extension / Heter_paper.tex
1 \documentclass[3p,times]{elsarticle-1}
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4 \usepackage[utf8]{inputenc}
5 \usepackage[english]{babel}
6 \usepackage{algpseudocode}
7 \usepackage{graphicx}
8 \usepackage{algorithm}
9 \usepackage{subfig}
10 \usepackage{amsmath}
11 \usepackage{url}
12 \usepackage{multirow}
13 \DeclareUrlCommand\email{\urlstyle{same}}
14
15 \usepackage[autolanguage,np]{numprint}
16 \AtBeginDocument{%
17   \renewcommand*\npunitcommand[1]{\text{#1}}
18   \npthousandthpartsep{}}
19
20 \usepackage{xspace}
21 \usepackage[textsize=footnotesize]{todonotes}
22 \newcommand{\AG}[2][inline]{%
23   \todo[color=green!50,#1]{\sffamily\textbf{AG:} #2}\xspace}
24 \newcommand{\JC}[2][inline]{%
25   \todo[color=red!10,#1]{\sffamily\textbf{JC:} #2}\xspace}
26
27 \newcommand{\Xsub}[2]{{\ensuremath{#1_\mathit{#2}}}}
28
29 %% used to put some subscripts lower, and make them more legible
30 \newcommand{\fxheight}[1]{\ifx#1\relax\relax\else\rule{0pt}{1.52ex}#1\fi}
31
32 \newcommand{\CL}{\Xsub{C}{L}}
33 \newcommand{\Dist}{\mathit{Dist}}
34 \newcommand{\EdNew}{\Xsub{E}{dNew}}
35 \newcommand{\Eind}{\Xsub{E}{ind}}
36 \newcommand{\Enorm}{\Xsub{E}{Norm}}
37 \newcommand{\Eoriginal}{\Xsub{E}{Original}}
38 \newcommand{\Ereduced}{\Xsub{E}{Reduced}}
39 \newcommand{\Es}{\Xsub{E}{S}}
40 \newcommand{\Fdiff}[1][]{\Xsub{F}{diff}_{\!#1}}
41 \newcommand{\Fmax}[1][]{\Xsub{F}{max}_{\fxheight{#1}}}
42 \newcommand{\Fnew}{\Xsub{F}{new}}
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45 \newcommand{\MaxDist}{\mathit{Max}\Dist}
46 \newcommand{\MinTcm}{\mathit{Min}\Tcm}
47 \newcommand{\Ntrans}{\Xsub{N}{trans}}
48 \newcommand{\Pd}[1][]{\Xsub{P}{d}_{\fxheight{#1}}}
49 \newcommand{\PdNew}{\Xsub{P}{dNew}}
50 \newcommand{\PdOld}{\Xsub{P}{dOld}}
51 \newcommand{\Pnorm}{\Xsub{P}{Norm}}
52 \newcommand{\Ps}[1][]{\Xsub{P}{s}_{\fxheight{#1}}}
53 \newcommand{\Scp}[1][]{\Xsub{S}{cp}_{#1}}
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58 \newcommand{\Pidle}[1][]{\Xsub{P}{idle}_{\fxheight{#1}}}
59 \newcommand{\TcpOld}[1][]{\Xsub{T}{cpOld}_{#1}}
60 \newcommand{\Tnew}{\Xsub{T}{New}}
61 \newcommand{\Told}{\Xsub{T}{Old}}
62
63
64 %% The ecrc package defines commands needed for running heads and logos.
65 %% For running heads, you can set the journal name, the volume, the starting page and the authors
66
67 %% set the volume if you know. Otherwise `00'
68 \volume{00}
69
70 %% set the starting page if not 1
71 \firstpage{1}
72
73 %% Give the name of the journal
74 \journalname{Procedia Computer Science}
75
76 %% Give the author list to appear in the running head
77 %% Example \runauth{C.V. Radhakrishnan et al.}
78 \runauth{}
79
80 %% The choice of journal logo is determined by the \jid and \jnltitlelogo commands.
81 %% A user-supplied logo with the name <\jid>logo.pdf will be inserted if present.
82 %% e.g. if \jid{yspmi} the system will look for a file yspmilogo.pdf
83 %% Otherwise the content of \jnltitlelogo will be set between horizontal lines as a default logo
84
85 %% Give the abbreviation of the Journal.
86 \jid{procs}
87
88 %% Give a short journal name for the dummy logo (if needed)
89 \jnltitlelogo{Procedia Computer Science}
90
91 %% Hereafter the template follows `elsarticle'.
92 %% For more details see the existing template files elsarticle-template-harv.tex and elsarticle-template-num.tex.
93
94 %% Elsevier CRC generally uses a numbered reference style
95 %% For this, the conventions of elsarticle-template-num.tex should be followed (included below)
96 %% If using BibTeX, use the style file elsarticle-num.bst
97
98 %% End of ecrc-specific commands
99 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
100
101 %% The amssymb package provides various useful mathematical symbols
102 \usepackage{amssymb}
103 %% The amsthm package provides extended theorem environments
104 %% \usepackage{amsthm}
105
106 %% The lineno packages adds line numbers. Start line numbering with
107 %% \begin{linenumbers}, end it with \end{linenumbers}. Or switch it on
108 %% for the whole article with \linenumbers after \end{frontmatter}.
109 %% \usepackage{lineno}
110
111 %% natbib.sty is loaded by default. However, natbib options can be
112 %% provided with \biboptions{...} command. Following options are
113 %% valid:
114
115 %%   round  -  round parentheses are used (default)
116 %%   square -  square brackets are used   [option]
117 %%   curly  -  curly braces are used      {option}
118 %%   angle  -  angle brackets are used    <option>
119 %%   semicolon  -  multiple citations separated by semi-colon
120 %%   colon  - same as semicolon, an earlier confusion
121 %%   comma  -  separated by comma
122 %%   numbers-  selects numerical citations
123 %%   super  -  numerical citations as superscripts
124 %%   sort   -  sorts multiple citations according to order in ref. list
125 %%   sort&compress   -  like sort, but also compresses numerical citations
126 %%   compress - compresses without sorting
127 %%
128 %% \biboptions{comma,round}
129
130 % \biboptions{}
131
132 % if you have landscape tables
133 \usepackage[figuresright]{rotating}
134
135 % put your own definitions here:
136 %   \newcommand{\cZ}{\cal{Z}}
137 %   \newtheorem{def}{Definition}[section]
138 %   ...
139
140 % add words to TeX's hyphenation exception list
141 %\hyphenation{author another created financial paper re-commend-ed Post-Script}
142
143 % declarations for front matter
144
145 \begin{document}
146
147 \begin{frontmatter}
148
149 %% Title, authors and addresses
150
151 %% use the tnoteref command within \title for footnotes;
152 %% use the tnotetext command for the associated footnote;
153 %% use the fnref command within \author or \address for footnotes;
154 %% use the fntext command for the associated footnote;
155 %% use the corref command within \author for corresponding author footnotes;
156 %% use the cortext command for the associated footnote;
157 %% use the ead command for the email address,
158 %% and the form \ead[url] for the home page:
159 %%
160 %% \title{Title\tnoteref{label1}}
161 %% \tnotetext[label1]{}
162 %% \author{Name\corref{cor1}\fnref{label2}}
163 %% \ead{email address}
164 %% \ead[url]{home page}
165 %% \fntext[label2]{}
166 %% \cortext[cor1]{}
167 %% \address{Address\fnref{label3}}
168 %% \fntext[label3]{}
169
170 \dochead{}
171 %% Use \dochead if there is an article header, e.g. \dochead{Short communication}
172 \title{Energy Consumption Reduction with DVFS for Message Passing \\
173        Iterative Applications on Grid Architecture} 
174   
175
176 %% use optional labels to link authors explicitly to addresses:
177 %% \author[label1,label2]{<author name>}
178 %% \address[label1]{<address>}
179 %% \address[label2]{<address>}
180
181 \author{Ahmed Fanfakh,
182         Jean-Claude Charr,
183         Raphaël Couturier,
184         and Arnaud Giersch}
185
186 \address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comté\\
187     IUT de Belfort-Montbéliard,
188     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
189     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
190     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
191     Email: \email{{ahmed.fanfakh_badri_muslim,jean-claude.charr,raphael.couturier,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
192    }
193
194 \begin{abstract}
195
196   In recent years, green computing   has  become an important topic 
197   in the supercomputing research domain. However, the 
198   computing platforms are still  consuming more and
199 more energy due to the increasing number of nodes composing
200 them. To minimize the operating costs of these platforms many
201 techniques have been used. Dynamic voltage and frequency
202 scaling (DVFS) is one of them. It can be used to reduce the power consumption of the CPU 
203   while computing, by lowering its frequency. However, lowering the frequency of 
204   a CPU may increase the execution time of an application running on that 
205   processor. Therefore, the frequency that gives the best trade-off between 
206   the energy consumption and the performance of an application must be selected. 
207   In this paper, a new online frequency selecting algorithm for grids, composed of heterogeneous clusters, is presented.  
208   It selects the frequencies and tries to give the best
209   trade-off between energy saving and performance degradation, for each node
210   computing the message passing iterative application. 
211   The algorithm has a small
212   overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model
213   for message passing iterative applications running on a  grid. 
214   The proposed algorithm is evaluated on a real grid, the grid'5000 platform, while
215   running the NAS parallel benchmarks.  The experiments show that it reduces the
216   energy consumption on average by \np[\%]{30} while  the performance  is only degraded
217   on average by \np[\%]{3.2}. Finally, the algorithm is 
218   compared to an existing method. The comparison results show that it outperforms the
219   latter in terms of energy consumption reduction and performance.
220 \end{abstract}
221
222
223 \begin{keyword}
224
225 Dynamic voltage and frequency scaling \sep Grid computing\sep Green computing and  frequency scaling online algorithm.
226
227 %% keywords here, in the form: keyword \sep keyword
228
229 %% MSC codes here, in the form: \MSC code \sep code
230 %% or \MSC[2008] code \sep code (2000 is the default)
231
232 \end{keyword}
233
234 \end{frontmatter}
235
236
237
238 \section{Introduction}
239 \label{sec.intro}
240 The need for more computing power is continually increasing. To partially
241 satisfy this need, most supercomputers constructors just put more computing
242 nodes in their platform. The resulting platforms may achieve higher floating
243 point operations per second (FLOPS), but the energy consumption and the heat
244 dissipation are also increased.  As an example, the Chinese supercomputer
245 Tianhe-2 had the highest FLOPS in June 2015  according to the Top500 list
246 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was also the most power hungry
247 platform with its over 3 million cores consuming around 17.8 megawatts.
248 Moreover, according to the U.S.  annual energy outlook 2015
249 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2015}, the price of energy for 1 megawatt-hour
250 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
251 the Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 million each year.  The
252 computing platforms must be more energy efficient and offer the highest number
253 of FLOPS per watt possible, such as the Shoubu-ExaScaler from RIKEN
254 which became the top of the Green500 list in June 2015 \cite{Green500_List}.
255 This heterogeneous platform executes more than 7 GFLOPS per watt while consuming
256 50.32 kilowatts.
257
258 Besides platform improvements, there are many software and hardware techniques
259 to lower the energy consumption of these platforms, such as scheduling, DVFS,
260 \dots{} DVFS is a widely used process to reduce the energy consumption of a
261 processor by lowering its frequency
262 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
263 the number of FLOPS executed by the processor which may increase the execution
264 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
265 different optimization strategies to select the frequency that gives the best
266 trade-off between the energy reduction and performance degradation ratio. In
267 \cite{Our_first_paper} and \cite{pdsec2015} , a frequencies selecting algorithm was proposed to reduce
268 the energy consumption of message passing iterative applications running over
269 homogeneous  and heterogeneous clusters respectively.  
270 The results of the experiments showed significant energy
271 consumption reductions. All the experimental results were conducted over 
272 Simgrid simulator \cite{SimGrid}, which offers easy tools to create a homogeneous and heterogeneous platforms and run message passing parallel applications over them. In this paper, a new frequencies selecting algorithm,
273 adapted to  grid platforms composed of heterogeneous clusters, is presented. It is applied to the NAS parallel benchmarks and evaluated over a real testbed, 
274 the grid'5000 platform \cite{grid5000}. It selects  for a grid platform running a message passing iterative
275 application the vector of
276 frequencies  that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
277 minimum performance degradation ratios. The algorithm has a very small overhead,
278 works online and does not need any training or profiling.
279
280
281 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
282 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
283 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents
284 an energy model that predicts the energy consumption of an application running
285 over a grid platform. Section~\ref{sec.compet} presents the
286 energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
287 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
288 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequencies selecting algorithm.
289 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on the 
290 NAS parallel benchmarks and executing them on the grid'5000 testbed. 
291 %It shows the results of running different scenarios using multi-cores and one core per node and comparing them. 
292 It also evaluates the algorithm over three different power scenarios. Moreover, it shows the
293 comparison results between the proposed method and an existing method.  Finally,
294 in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
295
296 \section{Related works}
297 \label{sec.relwork}
298
299 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
300 the frequency of the CPU while computing, in order to reduce the energy
301 consumption of the processor. DVFS is also allowed in GPUs to achieve the same
302 goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and may
303 degrade the performance of the application running on that processor, especially
304 if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a
305 processor to satisfy some objectives, while taking into account all the
306 constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different
307 strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that
308 compute the new frequency while executing the application, such
309 as~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}.
310 Others used offline methods that may need to run the application and profile
311 it before selecting the new frequency, such
312 as~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}.
313 The methods could be heuristics, exact or brute force methods that satisfy
314 varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be
315 adapted to the execution's environment and the type of the application such as
316 sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous
317 platform, synchronous or asynchronous application, \dots{}
318
319 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing
320 iterative synchronous applications running over heterogeneous grid platforms.  Some
321 works have already been done for such platforms and they can be classified into
322 two types of heterogeneous platforms:
323 \begin{itemize}
324 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
325 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
326 \end{itemize}
327
328 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are
329 executed on the GPUs and the rest are executed on the CPUs.  Luley et
330 al.~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed a
331 heterogeneous cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main
332 goal was to maximize the energy efficiency of the platform during computation by
333 maximizing the number of FLOPS per watt generated.
334 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et
335 al. developed a scheduling algorithm that distributes workloads proportional to
336 the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks
337 must be completed at the same time.  In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU},
338 Rong et al. showed that a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables
339 DVFS gave better energy and performance efficiency than other clusters only
340 composed of CPUs.
341
342 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with
343 heterogeneous CPUs.  Many methods were conceived to reduce the energy
344 consumption of this type of platform.  Naveen et
345 al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} developed a method that
346 minimizes the value of $\mathit{energy}\times \mathit{delay}^2$ (the delay is
347 the sum of slack times that happen during synchronous communications) by
348 dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster.
349 Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed an
350 algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and non
351 critical tasks. The algorithm scales down the frequency of non critical tasks
352 proportionally to their slack and communication times while limiting the
353 performance degradation percentage to less than \np[\%]{10}.
354 In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed a
355 heterogeneous cluster composed of two types of Intel and AMD processors. They
356 use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
357 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and
358 \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, the best
359 frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using
360 some heuristic.  Chen et
361 al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic
362 programming approach to minimize the power consumption of heterogeneous servers
363 while respecting given time constraints.  This approach had considerable
364 overhead.  In contrast to the above described papers, this paper presents the
365 following contributions :
366 \begin{enumerate}
367 \item two new energy and performance models for message passing iterative
368   synchronous applications running over a heterogeneous grid platform. Both models
369   take into account communication and slack times. The models can predict the
370   required energy and the execution time of the application.
371
372 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous grid
373   platforms. The algorithm has a very small overhead and does not need any
374   training or profiling. It uses a new optimization function which
375   simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption
376   of a message passing iterative synchronous application.
377
378 \end{enumerate}
379
380
381
382 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous grid architecture}
383 \label{sec.exe}
384
385 \subsection{The execution time of message passing distributed iterative
386   applications on a heterogeneous platform}
387
388 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
389 passing distributed iterative synchronous applications running over
390 heterogeneous grid platforms. A heterogeneous grid platform could be defined as a collection of
391 heterogeneous computing clusters interconnected via a long distance network which has lower bandwidth 
392 and higher latency than the local networks of the clusters. Each computing cluster in the grid is composed of homogeneous nodes that are connected together via high speed network. Therefore, each cluster has different characteristics such as computing power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, network bandwidth and latency.
393
394 \begin{figure}[!t]
395   \centering
396   \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
397   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
398   \label{fig:heter}
399 \end{figure}
400
401 The overall execution time of a distributed iterative synchronous application 
402 over a heterogeneous grid consists of the sum of the computation time and 
403 the communication time for every iteration on a node. However, due to the
404 heterogeneous computation power of the computing clusters, slack times may occur
405 when fast nodes have to wait, during synchronous communications, for the slower
406 nodes to finish their computations (see Figure~\ref{fig:heter}).  Therefore, the
407 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task 
408 which has the highest computation time and no slack time.
409
410 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in
411 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling
412 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU
413 and consequently its computing power, the execution time of a program running
414 over that scaled down processor may increase, especially if the program is
415 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling
416 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU
417 as in (\ref{eq:s}).
418 \begin{equation}
419   \label{eq:s}
420   S = \frac{\Fmax}{\Fnew}
421 \end{equation}
422 The execution time of a compute bound sequential program is linearly
423 proportional to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand, message
424 passing distributed applications consist of two parts: computation and
425 communication.  The execution time of the computation part is linearly
426 proportional to the frequency scaling factor $S$ but the communication time is
427 not affected by the scaling factor because the processors involved remain idle
428 during the communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  The
429 communication time for a task is the summation of periods of time that begin
430 with an MPI call for sending or receiving a message until the message is
431 synchronously sent or received.
432
433 Since in a heterogeneous grid each cluster has different characteristics,
434 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on the nodes 
435 of these clusters, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
436 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ where $S_{ij}$ is the scaling factor of processor $j$ in cluster $i$ . To
437 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
438 applications running over a heterogeneous grid, for different vectors of
439 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
440 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
441 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
442 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
443 \begin{equation}
444   \label{eq:perf}
445   \Tnew = \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\TcpOld[ij]} \cdot S_{ij}) 
446   +\mathop{\min_{j=1,\dots,M}}  (\Tcm[hj])
447 \end{equation}
448
449 where $N$ is the number of  clusters in the grid, $M$ is the number of  nodes in
450 each cluster, $\TcpOld[ij]$ is the computation time of processor $j$ in the cluster $i$ 
451 and $\Tcm[hj]$ is the communication time of processor $j$ in the cluster $h$ during the 
452 first  iteration. The model computes the maximum computation time with scaling factor 
453 from each node added to the communication time of the slowest node in the slowest cluster $h$.
454 It means only the communication time without any slack time is taken into account.  
455 Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
456 the execution time of one iteration as in (\ref{eq:perf}) multiplied by the
457 number of iterations of that application.
458
459 This prediction model is developed from the model to predict the execution time
460 of message passing distributed applications for homogeneous and heterogeneous clusters
461 ~\cite{Our_first_paper,pdsec2015}.  The execution time prediction model is
462 used in the method to optimize both the energy consumption and the performance
463 of iterative methods, which is presented in the following sections.
464
465
466 \subsection{Energy model for heterogeneous grid platform}
467
468 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
469   Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
470   Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by
471 a processor into two power metrics: the static and the dynamic power.  While the
472 first one is consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is
473 only consumed during computation times.  The dynamic power $\Pd$ is related to
474 the switching activity $\alpha$, load capacitance $\CL$, the supply voltage $V$
475 and operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
476 \begin{equation}
477   \label{eq:pd}
478   \Pd = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot F
479 \end{equation}
480 The static power $\Ps$ captures the leakage power as follows:
481 \begin{equation}
482   \label{eq:ps}
483    \Ps  = V \cdot \Ntrans \cdot \Kdesign \cdot \Ileak
484 \end{equation}
485 where V is the supply voltage, $\Ntrans$ is the number of transistors,
486 $\Kdesign$ is a design dependent parameter and $\Ileak$ is a
487 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
488 to execute a given program can be computed as:
489 \begin{equation}
490   \label{eq:eind}
491   \Eind =  \Pd \cdot \Tcp + \Ps \cdot T
492 \end{equation}
493 where $T$ is the execution time of the program, $\Tcp$ is the computation
494 time and $\Tcp \le T$.  $\Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
495 communication and no slack time.
496
497 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy
498 consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  The operational
499 frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot
500 F$ with some constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the
501 dynamic voltage with respect to various frequency values
502 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction process of the
503 frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the ratio between
504 the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).  The CPU governors are
505 power schemes supplied by the operating system's kernel to lower a core's
506 frequency. The new frequency $\Fnew$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as
507 follows:
508 \begin{equation}
509   \label{eq:fnew}
510    \Fnew = S^{-1} \cdot \Fmax
511 \end{equation}
512 Replacing $\Fnew$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following
513 equation for dynamic power consumption:
514 \begin{equation}
515   \label{eq:pdnew}
516    \PdNew = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fnew = \alpha \cdot \CL \cdot \beta^2 \cdot \Fnew^3 
517     = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fmax \cdot S^{-3} = \PdOld \cdot S^{-3}
518 \end{equation}
519 where $\PdNew$  and $\PdOld$ are the  dynamic power consumed with the
520 new frequency and the maximum frequency respectively.
521
522 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of
523 $S^{-3}$ when reducing the frequency by a factor of
524 $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is
525 proportional to the frequency of a CPU, the computation time is increased
526 proportionally to $S$.  The new dynamic energy is the dynamic power multiplied
527 by the new time of computation and is given by the following equation:
528 \begin{equation}
529   \label{eq:Edyn}
530    \EdNew = \PdOld \cdot S^{-3} \cdot (\Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot \PdOld \cdot  \Tcp
531 \end{equation}
532 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed
533 during computation and even when idle. As
534 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling},
535 the static power of a processor is considered as constant during idle and
536 computation periods, and for all its available frequencies.  The static energy
537 is the static power multiplied by the execution time of the program.  According
538 to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the
539 program is the sum of the computation and the communication times. The
540 computation time is linearly related to the frequency scaling factor, while this
541 scaling factor does not affect the communication time.  The static energy of a
542 processor after scaling its frequency is computed as follows:
543 \begin{equation}
544   \label{eq:Estatic}
545   \Es = \Ps \cdot (\Tcp \cdot S  + \Tcm)
546 \end{equation}
547
548 In the considered heterogeneous grid platform, each node $j$ in cluster $i$ may have
549 different dynamic and static powers from the nodes of the other clusters, 
550 noted as $\Pd[ij]$ and $\Ps[ij]$ respectively.  Therefore, even if the distributed 
551 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $j$ 
552 in cluster $i$ noted $\Tcp[ij]$ may be different and different frequency scaling factors may be
553 computed in order to decrease the overall energy consumption of the application
554 and reduce slack times.  The communication time of a processor $j$ in cluster $i$ is noted as
555 $\Tcm[ij]$ and could contain slack times when communicating with slower nodes,
556 see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore, all nodes do not have equal
557 communication times. While the dynamic energy is computed according to the
558 frequency scaling factor and the dynamic power of each node as in
559 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed as the sum of the execution time
560 of one iteration multiplied by the static power of each processor.  The overall
561 energy consumption of a message passing distributed application executed over a
562 heterogeneous grid platform during one iteration is the summation of all dynamic and
563 static energies for $M$ processors in $N$ clusters.  It is computed as follows:
564 \begin{equation}
565   \label{eq:energy}
566  E = \sum_{i=1}^{N} \sum_{i=1}^{M} {(S_{ij}^{-2} \cdot \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])} +  
567  \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot 
568   (\mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\Tcp[ij]} \cdot S_{ij}) 
569   +\mathop{\min_{j=1,\dots M}} (\Tcm[hj]) ))
570 \end{equation}
571
572 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of scaling
573 factors $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ may degrade the performance of the application
574 and thus, increase the static energy because the execution time is
575 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption
576 for the iterative application can be measured by measuring the energy
577 consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) multiplied by the number
578 of iterations of that application.
579
580 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
581 \label{sec.compet}
582
583 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
584 energy efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic
585 power is reduced while scaling down the frequency of a processor, its
586 computation power is proportionally decreased. Hence, the execution time might
587 be drastically increased and during that time, dynamic and static powers are
588 being consumed.  Therefore, it might cancel any gains achieved by scaling down
589 the frequency of all nodes to the minimum and the overall energy consumption of
590 the application might not be the optimal one.  It is not trivial to select the
591 appropriate frequency scaling factor for each processor while considering the
592 characteristics of each processor (computation power, range of frequencies,
593 dynamic and static powers) and the task executed (computation/communication
594 ratio). The aim being to reduce the overall energy consumption and to avoid
595 increasing significantly the execution time.
596 In our previous
597 works, \cite{Our_first_paper} and \cite{pdsec2015}, two methods that select the optimal
598 frequency scaling factors for a homogeneous and a heterogeneous cluster respectively, were proposed. 
599 Both methods selects the frequencies that gives the best tradeoff between 
600 energy consumption reduction and performance for  message passing
601 iterative synchronous applications.   In this work we
602 are interested in grids that are composed of heterogeneous clusters were the nodes have different characteristics such  as  dynamic power, static power, computation power, frequencies range, network latency and bandwidth. 
603 Due to the
604 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should be selected
605 and it must give the best trade-off between energy consumption and performance.
606
607 The relation between the energy consumption and the execution time for an
608 application is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the
609 execution time and the scaling factor, the relation between the energy and the
610 frequency scaling factors is nonlinear, for more details refer
611 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  Moreover, these relations
612 are not measured using the same metric.  To solve this problem, the execution
613 time is normalized by computing the ratio between the new execution time (after
614 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with
615 maximum frequency for all nodes) as follows:
616 \begin{equation}
617   \label{eq:pnorm}
618   \Pnorm = \frac{\Tnew}{\Told}                 
619 \end{equation}
620
621
622 Where $Tnew$ is computed as in (\ref{eq:perf}) and $Told$ is computed as in (\ref{eq:told})
623 \begin{equation}
624   \label{eq:told}
625    \Told = \mathop{\max_{i=1,2,\dots,N}}_{j=1,2,\dots,M} (\Tcp[ij]+\Tcm[ij])             
626 \end{equation}
627 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the
628 consumed energy while scaling down the frequency and the consumed energy with
629 maximum frequency for all  nodes:
630 \begin{equation}
631   \label{eq:enorm}
632   \Enorm = \frac{\Ereduced}{\Eoriginal} 
633 \end{equation}
634
635 Where $\Ereduced$  is computed using (\ref{eq:energy}) and $\Eoriginal$ is 
636 computed as in (\ref{eq:eorginal}).
637
638
639 \begin{equation}
640   \label{eq:eorginal}
641     \Eoriginal = \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} ( \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])  + 
642      \mathop{\sum_{i=1}^{N}} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot \Told)       
643 \end{equation}
644
645 While the main goal is to optimize the energy and execution time at the same
646 time, the normalized energy and execution time curves do not evolve (increase/decrease) in the same way. 
647 According to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the
648 vector of frequency scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy
649 and the execution time simultaneously.  But the main objective is to produce
650 maximum energy reduction with minimum execution time reduction.
651
652 This problem can be solved by making the optimization process for energy and
653 execution time follow the same evolution according to the vector of scaling factors
654 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$. Therefore, the equation of the
655 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance
656 equation, as follows:
657 \begin{equation}
658   \label{eq:pnorm_inv}
659   \Pnorm = \frac{\Told}{\Tnew}          
660 \end{equation}
661
662 \begin{figure}
663   \centering
664   \subfloat[Homogeneous cluster]{%
665     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}} \hspace{2cm}%
666   \subfloat[Heterogeneous grid]{%
667     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
668   \label{fig:rel}
669   \caption{The energy and performance relation}
670 \end{figure}
671
672 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
673 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
674 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
675 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
676 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} or
677 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
678 \begin{equation}
679   \label{eq:max}
680   \MaxDist =
681 \mathop{  \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}}_{k=1,\dots,F}
682       (\overbrace{\Pnorm(S_{ijk})}^{\text{Maximize}} -
683        \overbrace{\Enorm(S_{ijk})}^{\text{Minimize}} )
684 \end{equation}
685 where $N$ is the number of clusters, $M$ is the number of nodes in each cluster and
686 $F$ is the number of available frequencies for each node.  Then, the optimal set 
687 of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
688 The objective function can work with any energy model or any power 
689 values for each node (static and dynamic powers). However, the most important 
690 energy reduction gain can be achieved when the energy curve has a convex form as shown 
691 in~\cite{Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Hao_Learning.based.DVFS}.
692
693 \section{The scaling factors selection algorithm for  grids }
694 \label{sec.optim}
695
696 \begin{algorithm}
697   \begin{algorithmic}[1]
698     % \footnotesize
699     \Require ~
700     \begin{description}
701     \item [{$N$}] number of clusters in the grid.
702     \item [{$M$}] number of nodes in each cluster.
703     \item[{$\Tcp[ij]$}] array of all computation times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
704     \item[{$\Tcm[ij]$}] array of all communication times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
705     \item[{$\Fmax[ij]$}] array of the maximum frequencies for all nodes.
706     \item[{$\Pd[ij]$}] array of the dynamic powers for all nodes.
707     \item[{$\Ps[ij]$}] array of the static powers for all nodes.
708     \item[{$\Fdiff[ij]$}] array of the differences between two successive frequencies for all nodes.
709     \end{description}
710     \Ensure $\Sopt[11],\Sopt[12] \dots, \Sopt[NM_i]$,  a vector of scaling factors that gives the optimal tradeoff between energy consumption and execution time
711
712     \State $\Scp[ij] \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\max_{j=1,2,\dots,M_i}(\Tcp[ij]))}{\Tcp[ij]} $
713     \State $F_{ij} \gets  \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[i]},~{i=1,2,\cdots,N},~{j=1,2,\dots,M_i}.$
714     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest  available frequency for each node.
715     \If{(not the first frequency)}
716           \State $F_{ij} \gets F_{ij}+\Fdiff[ij],~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}.$
717     \EndIf
718     \State $\Told \gets $ computed as in equations (\ref{eq:told}).
719     \State $\Eoriginal \gets $ computed as in equations (\ref{eq:eorginal}) .
720     \State $\Sopt[ij] \gets 1,~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}. $
721     \State $\Dist \gets 0 $
722     \While {(all nodes have not reached their  minimum   \newline\hspace*{2.5em} frequency \textbf{or}  $\Pnorm - \Enorm < 0 $)}
723         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
724         \State $F_{ij} \gets F_{ij} - \Fdiff[ij],~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}$.
725         \State $S_{ij} \gets \frac{\Fmax[ij]}{F_{ij}},~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}.$
726         \EndIf
727        \State $\Tnew \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:perf}). 
728        \State $\Ereduced \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:energy}). 
729        \State $\Pnorm \gets \frac{\Told}{\Tnew}$
730        \State $\Enorm\gets \frac{\Ereduced}{\Eoriginal}$
731       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
732         \State $\Sopt[ij] \gets S_{ij},~i=1,\dots,N,~j=1,\dots,M_i. $
733         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
734       \EndIf
735     \EndWhile
736     \State  Return $\Sopt[11],\Sopt[12],\dots,\Sopt[NM_i]$
737   \end{algorithmic}
738   \caption{Scaling factors selection algorithm}
739   \label{HSA}
740 \end{algorithm}
741
742 \begin{algorithm}
743   \begin{algorithmic}[1]
744     % \footnotesize
745     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
746       \State Computations section.
747       \State Communications section.
748       \If {$(k=1)$}
749         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
750                communication from each node.
751         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
752         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
753                returned optimal scaling factors.
754         \State Set the new frequencies to nodes.
755       \EndIf
756     \EndFor
757   \end{algorithmic}
758   \caption{DVFS algorithm}
759   \label{dvfs}
760 \end{algorithm}
761
762
763 In this section, the scaling factors selection algorithm for  grids, algorithm~\ref{HSA}, 
764 is presented. It selects the vector of the frequency
765 scaling factors  that gives the best trade-off between minimizing the
766 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
767 synchronous iterative application executed on a  grid. It works
768 online during the execution time of the iterative message passing program.  It
769 uses information gathered during the first iteration such as the computation
770 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
771 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
772 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
773 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
774 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
775 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
776 scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
777
778 \begin{figure}[!t]
779   \centering
780   \includegraphics[scale=0.6]{fig/init_freq}
781   \caption{Selecting the initial frequencies}
782   \label{fig:st_freq}
783 \end{figure}
784
785 Nodes from distinct clusters in a grid have different computing powers, thus
786 while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes
787 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
788 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
789 periods are called idle or slack times.  The algorithm takes into account this
790 problem and tries to reduce these slack times when selecting the vector of the frequency
791 scaling factors. At first, it selects initial frequency scaling factors
792 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
793 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
794 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
795 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
796 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
797 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
798 \begin{equation}
799   \label{eq:Scp}
800   \Scp[ij] =  \frac{ \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}(\Tcp[ij])} {\Tcp[ij]}
801 \end{equation}
802 Using the initial frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the
803 algorithm computes the initial frequencies for all nodes as a ratio between the
804 maximum frequency of node $i$ and the computation scaling factor $\Scp[i]$ as
805 follows:
806 \begin{equation}
807   \label{eq:Fint}
808   F_{ij} = \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[ij]},~{i=1,2,\dots,N},~{j=1,\dots,M}
809 \end{equation}
810 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
811 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
812 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing powers in
813 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
814 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
815 frequencies are highlighted in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
816 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
817 optimal vector of frequencies because selecting higher frequencies
818 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
819 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
820 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
821 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
822 frequencies until reaching the nodes' minimum frequencies or lower bounds. A node's frequency is considered its lower bound if the computed distance between the energy and performance at this frequency is less than zero.
823 A negative distance means that the performance degradation ratio is higher than the energy saving ratio.
824 In this situation, the algorithm must stop the downward search because it has reached the lower bound and it is useless to test the lower frequencies. Indeed, they will all give worse distances. 
825
826 Therefore, the algorithm iterates on all remaining frequencies, from the higher
827 bound until all nodes reach their minimum frequencies or their lower bounds, to compute the overall
828 energy consumption and performance and selects the optimal vector of the frequency scaling
829 factors. At each iteration the algorithm determines the slowest node
830 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged,
831 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
832 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
833 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
834 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
835
836 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2} illustrate the normalized performance and
837 consumed energy for an application running on a homogeneous cluster and a
838  grid platform respectively while increasing the scaling factors. It can
839 be noticed that in a homogeneous cluster the search for the optimal scaling
840 factor should start from the maximum frequency because the performance and the
841 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand, in
842 the  grid platform the performance is maintained at the beginning of the
843 plot even if the frequencies of the faster nodes decrease until the computing
844 power of scaled down nodes are lower than the slowest node. In other words,
845 until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher the
846 difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger the
847 maximum distance between the energy curve and the performance curve is, which results in bigger energy savings. 
848
849
850 \section{Experimental results}
851 \label{sec.expe}
852 While in~\cite{pdsec2015} the energy  model and the scaling factors selection algorithm were applied to a heterogeneous cluster and  evaluated over the SimGrid simulator~\cite{SimGrid}, 
853 in this paper real experiments were conducted over the grid'5000 platform. 
854
855 \subsection{Grid'5000 architature and power consumption}
856 \label{sec.grid5000}
857 Grid'5000~\cite{grid5000} is a large-scale testbed that consists of ten sites distributed over all metropolitan France and Luxembourg. All the sites are connected together via         a special long distance network called RENATER,
858 which is the French National Telecommunication Network for Technology.
859 Each site of the grid is composed of few heterogeneous 
860 computing clusters and each cluster contains many homogeneous nodes. In total,
861 grid'5000 has about  one thousand heterogeneous nodes and eight thousand cores.  In each site,
862 the clusters and their nodes are connected via  high speed local area networks. 
863 Two types of local networks are used, Ethernet or Infiniband networks which have  different characteristics in terms of bandwidth and latency.  
864
865 Since grid'5000 is dedicated for testing, contrary to production grids it allows a user to deploy its own customized operating system on all the booked nodes. The user could have root rights and thus apply DVFS operations while executing a distributed application. Moreover, the grid'5000 testbed provides at some sites a power measurement tool to capture 
866 the power consumption  for each node in those sites. The measured power is the overall consumed power by by all the components of a node at a given instant, such as CPU, hard drive, main-board, memory, ...  For more details refer to
867 \cite{Energy_measurement}. To just measure the CPU power of one core in a node $j$, 
868  firstly,  the power consumed by the node while being idle at instant $y$, noted as $\Pidle[jy]$, was measured. Then, the power was measured while running a single thread benchmark with no communication (no idle time) over the same node with its CPU scaled to the maximum available frequency. The latter power measured at time $x$ with maximum frequency for one core of node $j$ is noted $\Pmax[jx]$. The difference between the two measured power consumption represents the 
869 dynamic power consumption of that core with the maximum frequency, see  figure(\ref{fig:power_cons}). 
870
871
872 The dynamic power $\Pd[j]$ is computed as in equation (\ref{eq:pdyn})
873 \begin{equation}
874   \label{eq:pdyn}
875     \Pd[j] = \max_{x=\beta_1,\dots \beta_2} (\Pmax[jx])  -  \min_{y=\Theta_1,\dots \Theta_2} (\Pidle[jy])
876 \end{equation}
877
878 where $\Pd[j]$ is the dynamic power consumption for one core of node $j$, 
879 $\lbrace \beta_1,\beta_2 \rbrace$ is the time interval for the measured maximum power values, 
880 $\lbrace\Theta_1,\Theta_2\rbrace$ is the time interval for the measured  idle power values.
881 Therefore, the dynamic power of one core is computed as the difference between the maximum 
882 measured value in maximum powers vector and the minimum measured value in the idle powers vector.
883
884 On the other hand, the static power consumption by one core is a part of the measured idle power consumption of the node. Since in grid'5000 there is no way to measure precisely the consumed static power and in~\cite{Our_first_paper,pdsec2015,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy} it was assumed that  the static power  represents a ratio of the dynamic power, the value of the static power is assumed as  20\% of dynamic power consumption of the core.
885
886 In the experiments presented in the following sections, two sites of grid'5000 were used, Lyon and Nancy sites. These two sites have in total seven different clusters as in figure (\ref{fig:grid5000}).
887
888 Four clusters from the two sites were selected in the experiments: one cluster from 
889 Lyon's site, Taurus cluster, and three clusters from Nancy's site, Graphene, 
890 Griffon and Graphite. Each one of these clusters has homogeneous nodes inside, while nodes from different clusters are heterogeneous in many aspects such as: computing power, power consumption, available 
891 frequency ranges and local network features: the bandwidth and the latency.  Table \ref{table:grid5000} shows 
892 the details characteristics of these four clusters. Moreover, the dynamic powers were computed  using the equation (\ref{eq:pdyn}) for all the nodes in the 
893 selected clusters and are presented in table  \ref{table:grid5000}.
894
895
896 \begin{figure}[!t]
897   \centering
898   \includegraphics[scale=1]{fig/grid5000}
899   \caption{The selected two sites of grid'5000}
900   \label{fig:grid5000}
901 \end{figure}
902 \begin{figure}[!t]
903   \centering
904   \includegraphics[scale=0.6]{fig/power_consumption.pdf}
905   \caption{The power consumption by one core from the Taurus cluster}
906   \label{fig:power_cons}
907 \end{figure}
908
909
910 The energy model and the scaling factors selection algorithm were applied to the NAS parallel benchmarks v3.3 \cite{NAS.Parallel.Benchmarks} and evaluated over grid'5000.
911 The benchmark suite contains seven applications: CG, MG, EP, LU, BT, SP and FT. These applications have different computations and communications ratios and strategies which make them good testbed applications to evaluate the proposed algorithm and energy model.
912 The benchmarks have seven different classes, S, W, A, B, C, D and E, that represent the size of the problem that the method solves. In this work, the class D was used for all benchmarks in all the experiments presented in the next sections. 
913
914
915   
916 \begin{table}[!t]
917   \caption{CPUs characteristics of the selected clusters}
918   % title of Table
919   \centering
920   \begin{tabular}{|*{7}{c|}}
921     \hline
922     Cluster     & CPU         & Max   & Min   & Diff. & no. of cores    & dynamic power   \\
923     Name        & model       & Freq. & Freq. & Freq. & per CPU         & of one core     \\
924                 &             & GHz   & GHz   & GHz   &                 &           \\
925     \hline
926     Taurus      & Intel       & 2.3  & 1.2  & 0.1     & 6               & \np[W]{35} \\
927                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
928                 & E5-2630     &       &       &       &                 &            \\         
929     \hline
930     Graphene    & Intel       & 2.53  & 1.2   & 0.133 & 4               & \np[W]{23} \\
931                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
932                 & X3440       &       &       &       &                 &            \\    
933     \hline
934     Griffon     & Intel       & 2.5   & 2     & 0.5   & 4               & \np[W]{46} \\
935                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
936                 & L5420       &       &       &       &                 &            \\  
937     \hline
938     Graphite    & Intel       & 2     & 1.2   & 0.1   & 8               & \np[W]{35} \\
939                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
940                 & E5-2650     &       &       &       &                 &            \\  
941     \hline
942   \end{tabular}
943   \label{table:grid5000}
944 \end{table} 
945
946
947
948 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
949 \label{sec.res}
950 In this section, the results of the application of the scaling factors selection algorithm \ref{HSA} 
951 to the NAS parallel benchmarks are presented. 
952
953 As mentioned previously, the experiments 
954 were conducted over two sites of grid'5000,  Lyon and Nancy sites. 
955 Two scenarios were considered while selecting the clusters from these two sites :
956 \begin{itemize}
957 \item In the first scenario, nodes from two sites and three heterogeneous clusters were selected. The two sites are connected 
958  via a long distance network.
959 \item In the second scenario nodes from three clusters that are located in one site, Nancy site.  
960 \end{itemize}
961
962 The main reason 
963 behind using these two scenarios is to evaluate the influence of long distance communications (higher latency) on the performance of the 
964 scaling factors selection algorithm. Indeed, in the first scenario the computations to communications ratio 
965 is very low due to the higher communication times which reduces the effect of DVFS operations.
966
967 The NAS parallel benchmarks are executed over 
968 16 and 32 nodes for each scenario. The number of participating computing nodes form each cluster 
969 are different because all the selected clusters do not have the same available number of nodes and all benchmarks do not require the same number of computing nodes.
970 Table \ref{tab:sc} shows the number of nodes used from each cluster for each scenario. 
971
972 \begin{table}[h]
973
974 \caption{The different clusters scenarios}
975 \centering
976 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
977 \hline
978 \multirow{2}{*}{Scenario name}        & \multicolumn{3}{c|} {The participating clusters} \\ \cline{2-4} 
979                                       & Cluster & Site           & No. of  nodes     \\ 
980 \hline
981 \multirow{3}{*}{Two sites / 16 nodes} & Taurus & Lyon                & 5                      \\ \cline{2-4} 
982                                       & Graphene  & Nancy             & 5                      \\ \cline{2-4} 
983                                       & Griffon       & Nancy        & 6                      \\ 
984 \hline
985 \multirow{3}{*}{Tow sites / 32 nodes} & Taurus  & Lyon               & 10                     \\ \cline{2-4} 
986                                       & Graphene  & Nancy             & 10                     \\ \cline{2-4} 
987                                       & Griffon     &Nancy           & 12                     \\ 
988 \hline
989 \multirow{3}{*}{One site / 16 nodes}  & Graphite    & Nancy            & 4                      \\ \cline{2-4} 
990                                       & Graphene     & Nancy           & 6                      \\ \cline{2-4} 
991                                       & Griffon         & Nancy        & 6                      \\ 
992 \hline
993 \multirow{3}{*}{One site / 32 nodes}  & Graphite   & Nancy             & 4                      \\ \cline{2-4} 
994                                       & Graphene      & Nancy          & 14                     \\ \cline{2-4} 
995                                       & Griffon          & Nancy       & 14                       \\ 
996 \hline
997 \end{tabular}
998  \label{tab:sc}
999 \end{table}
1000
1001
1002
1003
1004 The NAS parallel benchmarks are executed over these two platforms
1005  with different number of nodes, as in Table \ref{tab:sc}. 
1006 The overall energy consumption of all the benchmarks solving the class D instance and
1007 using the proposed frequency selection algorithm is measured 
1008 using the equation of the reduced energy consumption, equation 
1009 (\ref{eq:energy}). This model uses the measured dynamic and static 
1010 power values  showed in Table \ref{table:grid5000}. The execution
1011 time is measured for all the benchmarks over these different scenarios.  
1012
1013 The energy consumptions  and the execution times for all the benchmarks are 
1014 presented in the plots \ref{fig:eng_sen} and \ref{fig:time_sen} respectively. 
1015
1016 For the majority of the benchmarks, the energy consumed while executing  the NAS benchmarks over one site scenario 
1017 for  16 and 32 nodes is lower than the energy consumed while using two sites. 
1018 The long distance communications between the two distributed sites increase the idle time, which leads to more static energy consumption. 
1019
1020 The execution times of these benchmarks 
1021 over one site with 16 and 32 nodes are also lower when  compared to those of the  two sites 
1022 scenario. Moreover, most of the benchmarks running over the one site scenario their execution times  are approximately divided by two  when the number of computing nodes is doubled from 16 to 32 nodes (linear speed up according to the number of the nodes).  
1023
1024 However, the  execution times and the energy consumptions of EP and MG benchmarks, which have no or small communications, are not significantly affected 
1025  in both scenarios. Even when the number of nodes is doubled. On the other hand, the communications of the rest of the benchmarks increases when using long distance communications between two sites or increasing the number of computing nodes.
1026
1027
1028
1029 The energy saving percentage is computed as the ratio between the reduced 
1030 energy consumption, equation (\ref{eq:energy}), and the original energy consumption,
1031 equation (\ref{eq:eorginal}), for all benchmarks as in figure \ref{fig:eng_s}. 
1032 This figure shows that the energy saving percentages of one site scenario for
1033 16 and 32 nodes are bigger than those of the two sites scenario which is due
1034 to the higher  computations to communications ratio in the first scenario   
1035 than in the second one. Moreover, the frequency selecting algorithm selects smaller frequencies when the computations times are bigger than the communication times which 
1036 results in  a lower energy consumption. Indeed, the dynamic  consumed power
1037 is exponentially related to the CPU's frequency value. On the other side, the increase in the number of computing nodes can 
1038 increase the communication times and thus produces less energy saving depending on the 
1039 benchmarks being executed. The results of the benchmarks CG, MG, BT and FT show more 
1040 energy saving percentage in one site scenario when executed over 16 nodes comparing to 32 nodes. While, LU and SP consume more energy with 16 nodes than 32 in one site  because their computations to communications ratio is not affected by the increase of the number of local communications. 
1041 \begin{figure}
1042   \centering
1043   \subfloat[The energy consumption by the nodes wile executing the NAS benchmarks over different scenarios    
1044            ]{%
1045     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/eng_con_scenarios.eps}\label{fig:eng_sen}} \hspace{1cm}%
1046   \subfloat[The execution times of the NAS benchmarks over different scenarios]{%
1047     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/time_scenarios.eps}\label{fig:time_sen}}
1048   \label{fig:exp-time-energy}
1049   \caption{The  energy consumption and execution time of NAS  Benchmarks over different scenarios}
1050 \end{figure}
1051
1052
1053 \begin{figure}
1054   \centering
1055   \subfloat[The energy reduction while executing the NAS benchmarks over different scenarios ]{%
1056     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/eng_s.eps}\label{fig:eng_s}} \hspace{2cm}%
1057   \subfloat[The performance degradation of the NAS benchmarks over different scenarios]{%
1058     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/per_d.eps}\label{fig:per_d}}\hspace{2cm}%
1059     \subfloat[The tradeoff distance between the energy reduction and the performance of the NAS benchmarks  
1060       over different scenarios]{%
1061     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/dist.eps}\label{fig:dist}}
1062   \label{fig:exp-res}
1063   \caption{The experimental results of different scenarios}
1064 \end{figure}
1065
1066 The energy saving percentage is reduced for all the benchmarks because of the long distance communications in the two sites 
1067 scenario, except for the   EP benchmark which has  no communications. Therefore, the energy saving percentage of this benchmark is 
1068 dependent on the maximum difference between the computing powers of the heterogeneous computing nodes, for example 
1069 in the one site scenario, the graphite cluster is selected but in the two sits scenario 
1070 this cluster is replaced with Taurus cluster which is more powerful. 
1071 Therefore, the energy saving of EP benchmarks are bigger in the two sites scenario due 
1072 to the higher maximum difference between the computing powers of the nodes. 
1073
1074 In fact, high differences between the nodes' computing powers make the proposed frequencies selecting  
1075 algorithm  select smaller frequencies for the powerful nodes which 
1076 produces less energy consumption and thus more energy saving.
1077 The best energy saving percentage was obtained in the one site scenario with 16 nodes, the energy consumption was on average reduced up to 30\%.
1078
1079
1080 Figure \ref{fig:per_d} presents the performance degradation percentages for all benchmarks over the two scenarios.
1081 The performance degradation percentage for the benchmarks running on two sites  with
1082 16 or 32  nodes is on average equal to 8.3\% or 4.7\% respectively. 
1083 For this scenario, the proposed scaling algorithm selects smaller frequencies for the executions with 32 nodes  without significantly degrading their performance because the communication times are higher with 32 nodes which results in smaller  computations to communications ratio.  On the other hand, the performance degradation percentage  for the benchmarks running  on one site  with
1084 16 or 32  nodes is on average equal to 3.2\% or 10.6\% respectively. In opposition to the two sites scenario, when the number of computing nodes is increased in the one site scenario, the performance degradation percentage is increased. Therefore, doubling the number of computing 
1085 nodes when the communications occur in high speed network does not decrease the computations to 
1086 communication ratio. 
1087
1088 The performance degradation percentage of the EP benchmark after applying the scaling factors selection algorithm is the highest in comparison to 
1089 the other benchmarks. Indeed, in the EP benchmark, there are no communication and slack times and its 
1090 performance degradation percentage only depends on the frequencies values selected by the algorithm for the computing nodes.
1091 The rest of the benchmarks showed different performance degradation percentages, which decrease
1092 when the communication times increase and vice versa.
1093
1094 Figure \ref{fig:dist} presents the  distance percentage between the energy saving  and the performance degradation for each benchmark  over both  scenarios. The tradeoff distance percentage can be 
1095 computed as in equation \ref{eq:max}. The one site scenario with 16 nodes gives the best energy and performance 
1096 tradeoff, on average it is equal to  26.8\%. The one site scenario using both 16 and 32 nodes had better energy and performance 
1097 tradeoff comparing to the two sites scenario  because the former has high speed local communications 
1098 which increase the computations to communications ratio  and the latter uses long distance communications which decrease this ratio. 
1099
1100  Finally, the best energy and performance tradeoff depends on all of the following:
1101 1) the computations to communications ratio when there are  communications and slack times, 2) the heterogeneity of the computing powers of the nodes and 3) the heterogeneity of the consumed  static and dynamic powers of the nodes.
1102
1103
1104
1105
1106 \subsection{The experimental results over multi-cores clusters}
1107 \label{sec.res-mc}
1108
1109 The  clusters of grid'5000 have different number of cores embedded in their nodes
1110 as shown in Table \ref{table:grid5000}. In 
1111 this section, the proposed scaling algorithm is evaluated over the  grid'5000 platform  while using multi-cores nodes selected according to the one site scenario described in the section \ref{sec.res}.
1112 The one site scenario uses  32 cores from multi-cores nodes instead of 32 distinct nodes. For example if 
1113 the participating number of cores from a certain cluster is equal to 14, 
1114 in the multi-core scenario the selected nodes is equal to  4 nodes while using 
1115 3 or 4 cores from each node. The platforms with one  
1116 core per node and  multi-cores nodes are  shown in Table \ref{table:sen-mc}. 
1117 The energy consumptions and execution times of running the class D of the NAS parallel 
1118 benchmarks over these four different scenarios are presented 
1119 in the figures \ref{fig:eng-cons-mc} and \ref{fig:time-mc} respectively.
1120
1121 \begin{table}[]
1122 \centering
1123 \caption{The multicores scenarios}
1124 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
1125 \hline
1126 Scenario name                          & Cluster name & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  nodes\\ in each cluster\end{tabular} & 
1127                                        \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  cores\\ for each node\end{tabular}  \\ \hline
1128 \multirow{3}{*}{One core per node}    & Graphite     & 4               & 1                   \\  \cline{2-4}
1129                                        & Graphene     & 14              & 1                   \\  \cline{2-4}
1130                                        & Griffon      & 14              & 1                   \\ \hline
1131 \multirow{3}{*}{Multi-cores per node}  & Graphite     & 1               &  4              \\  \cline{2-4}
1132                                        & Graphene     & 4               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
1133                                        & Griffon      & 4               & 3 or 4                   \\ \hline
1134 \end{tabular}
1135 \label{table:sen-mc}
1136 \end{table}
1137
1138
1139 \begin{figure}
1140   \centering
1141   \subfloat[Comparing the  execution times of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios]{%
1142     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/time.eps}\label{fig:time-mc}} \hspace{1cm}%
1143   \subfloat[Comparing the  energy consumptions of running NAS benchmarks over one core and multi-cores scenarios]{%
1144     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/eng_con.eps}\label{fig:eng-cons-mc}}
1145     \label{fig:eng-cons}
1146   \caption{The energy consumptions and execution times of NAS benchmarks over one core and multi-cores per node architectures}
1147 \end{figure}
1148
1149
1150
1151 The execution times for most of  the NAS  benchmarks are higher over the multi-cores per node scenario 
1152 than over single core per node  scenario. Indeed,  
1153  the communication times  are higher in the one site multi-cores scenario than in the latter scenario because all the cores of a node  share  the same node network link which can be  saturated when running communication bound applications. Moreover, the cores of a node share the memory bus which can be also saturated and become a bottleneck.    
1154 Moreover, the energy consumptions of the NAS benchmarks are lower over the 
1155  one core scenario  than over the multi-cores scenario because 
1156 the first scenario had less execution time than the latter which results in less static energy being consumed.
1157 The computations to communications ratios of the NAS benchmarks are higher over 
1158 the one site one core scenario  when compared to the ratio of the multi-cores scenario. 
1159 More energy reduction can be gained when this ratio is big because it pushes the proposed scaling algorithm to select smaller frequencies that decrease the dynamic power consumption. These experiments also showed that the energy 
1160 consumption and the execution times of the EP and MG benchmarks do not change significantly over these two
1161 scenarios  because there are no or small communications. Contrary to EP and MG, the  energy consumptions and the execution times of the rest of the  benchmarks  vary according to the  communication times that are different from one scenario to the other.
1162   
1163   
1164 The energy saving percentages of all NAS benchmarks running over these two scenarios are presented in the figure \ref{fig:eng-s-mc}. 
1165 The figure shows that  the energy saving percentages in the one 
1166 core and the multi-cores scenarios
1167 are approximately equivalent, on average they are equal to  25.9\% and 25.1\% respectively.
1168 The energy consumption is reduced at the same rate in the two scenarios when compared to the energy consumption of the executions without DVFS. 
1169
1170
1171 The performance degradation percentages of the NAS benchmarks are presented in
1172 figure \ref{fig:per-d-mc}. It shows that the performance degradation percentages is higher for the NAS benchmarks over the  one core per node scenario  (on average equal to 10.6\%)  than over the  multi-cores scenario (on average equal to 7.5\%). The performance degradation percentages over the multi-cores scenario is lower because  the computations to communications ratio is smaller than the ratio of the other scenario. 
1173
1174 The tradeoff distance percentages of the NAS benchmarks over the two scenarios are presented 
1175 in the figure \ref{fig:dist-mc}. These  tradeoff distance between energy consumption reduction and performance  are used to verify which scenario is the best in both terms  at the same time. The figure shows that  the  tradeoff distance percentages are on average   bigger over the multi-cores scenario  (17.6\%) than over the  one core per node scenario  (15.3\%).
1176
1177
1178
1179 \begin{figure}
1180   \centering
1181     \subfloat[The energy saving of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios]{%
1182     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/eng_s_mc.eps}\label{fig:eng-s-mc}} \hspace{2cm}%
1183     \subfloat[The performance degradation of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios
1184       ]{%
1185     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/per_d_mc.eps}\label{fig:per-d-mc}}\hspace{2cm}%
1186     \subfloat[The tradeoff distance of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios]{%
1187     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/dist_mc.eps}\label{fig:dist-mc}}
1188   \label{fig:exp-res}
1189   \caption{The experimental results of one core and multi-cores scenarios}
1190 \end{figure}
1191
1192
1193
1194 \subsection{Experiments with different static and dynamic powers consumption scenarios}
1195 \label{sec.pow_sen}
1196
1197 In section \ref{sec.grid5000}, since it was not possible to measure the static power consumed by a CPU,   the static power was assumed to be equal to 20\% of the measured dynamic power. This power is consumed during the whole execution time, during computation and communication times. Therefore, when the DVFS operations are applied by the scaling algorithm and the CPUs' frequencies lowered, the execution time might increase and consequently the consumed static energy will be increased too. 
1198
1199 The aim of  this section is to evaluate the scaling algorithm while assuming different values of static powers. 
1200 In addition to the previously used  percentage of static power, two new static power ratios,  10\% and 30\% of the measured dynamic power of the core, are used in this section.
1201 The experiments have been executed with these two new static power scenarios  over the one site one core per node scenario.
1202 In these experiments, the class D of the NAS parallel benchmarks are executed over Nancy's site. 16 computing nodes from the three clusters, Graphite, Graphene and Griffon, where used in this experiment. 
1203
1204
1205 \begin{figure}
1206   \centering
1207   \subfloat[The energy saving percentages for the nodes executing the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1208     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/eng_pow.eps}\label{fig:eng-pow}} \hspace{2cm}%
1209   \subfloat[The performance degradation percentages for the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1210     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/per_pow.eps}\label{fig:per-pow}}\hspace{2cm}%
1211     \subfloat[The tradeoff distance between the energy reduction and the performance of the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1212       
1213     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/dist_pow.eps}\label{fig:dist-pow}}
1214   \label{fig:exp-pow}
1215   \caption{The experimental results of different static power scenarios}
1216 \end{figure}
1217
1218
1219
1220 \begin{figure}
1221   \centering
1222   \includegraphics[scale=0.5]{fig/three_scenarios.pdf}
1223   \caption{Comparing the selected frequency scaling factors for the MG benchmark over the three static power scenarios}
1224   \label{fig:fre-pow}
1225 \end{figure}
1226
1227 The energy saving percentages of the NAS benchmarks with the three static power scenarios are presented 
1228 in figure \ref{fig:eng_sen}. This figure shows that the  10\% of static power scenario 
1229 gives the biggest energy saving percentages in comparison to the 20\% and 30\% static power 
1230 scenarios. The small value of the static power consumption makes the proposed 
1231 scaling algorithm  select smaller frequencies for the CPUs. 
1232 These smaller frequencies reduce the dynamic energy consumption more than increasing the consumed static energy which gives             less overall energy consumption. 
1233 The energy saving percentages of the 30\% static power scenario is the smallest between the other scenarios, because the scaling algorithm selects bigger frequencies for the CPUs which increases the energy consumption. Figure \ref{fig:fre-pow} demonstrates that the proposed scaling algorithm selects   the best frequency scaling factors   according to the static power consumption ratio being used.
1234
1235 The performance degradation percentages are presented in the figure \ref{fig:per-pow}.
1236 The 30\% static power scenario had less performance degradation percentage  because the scaling algorithm
1237 had  selected big frequencies for the CPUs. While, 
1238 the inverse happens in the 10\% and 20\% scenarios because the scaling algorithm had selected  CPUs' frequencies smaller than those of the 30\% scenario. The tradeoff distance percentage for the NAS benchmarks with these three static power scenarios 
1239 are presented in the figure \ref{fig:dist}. 
1240 It shows that the best  tradeoff
1241 distance percentage is obtained with  the  10\% static power scenario  and this percentage 
1242 is decreased for the other two scenarios because the scaling algorithm had selected different frequencies according to the static power values.
1243
1244 In the EP benchmark, the energy saving, performance degradation and tradeoff 
1245 distance percentages for the these static power scenarios are not significantly different because there is no communication in this benchmark. Therefore, the static power is only consumed during computation and   the proposed scaling algorithm selects similar frequencies for the three scenarios.  On the other hand,  for the rest of the benchmarks,  the scaling algorithm  selects  the values of the frequencies according to the communication times of each benchmark because the static energy consumption increases  proportionally to the  communication times.
1246
1247
1248  
1249 \subsection{The comparison of the proposed frequencies selecting algorithm }
1250 \label{sec.compare_EDP}
1251
1252 Finding the frequencies that gives the best tradeoff between the energy consumption and the performance for a parallel 
1253 application is not a trivial task.  Many algorithms have been proposed to tackle this problem.  
1254 In this section, the proposed frequencies selecting algorithm is compared to a method that uses the well known  energy and delay product objective function, $EDP=energy \times delay$, that has been used by many researchers  \cite{EDP_for_multi_processors,Energy_aware_application_scheduling,Exploring_Energy_Performance_TradeOffs}. 
1255 This objective function  was also used by Spiliopoulos et al. algorithm \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS} where they select the frequencies that minimize the EDP product and apply them with DVFS operations to  the multi-cores 
1256 architecture. Their online algorithm predicts the energy consumption and execution time of a processor before using the EDP method.
1257
1258 To fairly compare the proposed frequencies scaling algorithm to  Spiliopoulos et al. algorithm, called Maxdist and EDP respectively, both algorithms use the same energy model,  equation \ref{eq:energy} and
1259 execution time model, equation \ref{eq:perf}, to predict the energy consumption and the execution time for each computing node.
1260 Moreover, both algorithms start the search space from the upper bound computed as in equation   \ref{eq:Fint}.
1261 Finally, the resulting EDP algorithm is an exhaustive search algorithm that tests all the possible frequencies, starting from the initial frequencies (upper bound), 
1262 and selects the vector of frequencies that minimize the EDP product.
1263
1264 Both algorithms were applied to the class D of the NAS benchmarks over 16 nodes.
1265 The participating computing nodes are distributed  according to the two scenarios described in  section \ref{sec.res}. 
1266 The experimental results, the energy saving, performance degradation and tradeoff distance percentages, are 
1267 presented in the figures \ref{fig:edp-eng}, \ref{fig:edp-perf} and \ref{fig:edp-dist} respectively.
1268
1269
1270 \begin{figure}
1271   \centering
1272   \subfloat[The energy reduction induced by the Maxdist method and the EDP method]{%
1273     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/edp_eng}\label{fig:edp-eng}} \hspace{2cm}%
1274     \subfloat[The performance degradation induced by  the Maxdist method and the EDP method]{%
1275     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/edp_per}\label{fig:edp-perf}}\hspace{2cm}%
1276     \subfloat[The tradeoff distance between the energy consumption reduction and the performance for the Maxdist method and the  EDP method]{%
1277     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/edp_dist}\label{fig:edp-dist}}
1278   \label{fig:edp-comparison}
1279   \caption{The comparison results}
1280 \end{figure}
1281
1282 As shown in these figures, the proposed frequencies selection algorithm, Maxdist, outperforms the EDP algorithm in terms of energy consumption reduction and performance for all of the benchmarks executed over the two scenarios. 
1283 The proposed algorithm gives better results than EDP  because it 
1284 maximizes the energy saving and the performance at the same time. 
1285 Moreover, the proposed scaling algorithm gives the same weight for these two metrics.
1286 Whereas, the EDP algorithm gives sometimes negative tradeoff values for some benchmarks in the two sites scenarios.
1287 These negative tradeoff values mean that the performance degradation percentage is higher than energy saving percentage.
1288 The high positive values of the tradeoff distance percentage mean that the  energy saving percentage is much higher than the performance degradation percentage. 
1289 The time complexity of both Maxdist and EDP algorithms are $O(N \cdot M \cdot F)$ and 
1290 $O(N \cdot M \cdot F^2)$ respectively, where $N$ is the number of the clusters, $M$ is the number of nodes and $F$ is the 
1291 maximum number of available frequencies. When Maxdist is applied to a benchmark that is being executed over 32 nodes distributed between Nancy and Lyon sites, it takes on average  $0.01 ms$  to compute the best frequencies while EDP is on average ten times slower over the same architecture.  
1292
1293
1294 \section{Conclusion}
1295 \label{sec.concl}
1296 This paper has presented a new online frequencies selection algorithm.
1297  The algorithm selects the best vector of 
1298 frequencies that maximizes  the tradeoff distance 
1299 between the predicted energy consumption and the predicted execution time of the distributed 
1300 iterative applications running over a heterogeneous grid. A new energy model 
1301 is used by the proposed algorithm to predict the energy consumption 
1302 of the distributed iterative message passing application running over a grid architecture.
1303 To evaluate the proposed method on a real heterogeneous grid platform, it was applied on the  
1304  NAS parallel benchmarks   and the  class D instance was executed over the  grid'5000 testbed platform. 
1305  The experimental results showed that the algorithm reduces  on average 30\% of the energy consumption
1306 for all the NAS benchmarks   while  only degrading by 3.2\% on average  the performance. 
1307 The Maxdist algorithm was also evaluated in different scenarios that vary in the distribution of the computing nodes between different clusters' sites or \textcolor{blue}{between using one core and multi-cores per node} or in the values of the consumed static power. The algorithm selects different vector of frequencies according to the 
1308 computations and communication times ratios, and  the values of the static and measured dynamic powers of the CPUs. 
1309 Finally, the proposed algorithm was compared to another method that uses
1310 the well known energy and delay product as an objective function. The comparison results showed 
1311 that the proposed algorithm outperforms the latter by selecting a vector of frequencies that gives a better tradeoff  between energy consumption reduction and performance. 
1312
1313 In the near future, we would like to develop a similar method that is adapted to
1314 asynchronous iterative applications where iterations are not synchronized and communications are overlapped with computations. 
1315  The development of
1316 such a method might require a new energy model because the
1317 number of iterations is not known in advance and depends on
1318 the global convergence of the iterative system.
1319
1320
1321
1322 \section*{Acknowledgment}
1323
1324 This work  has been  partially supported by  the Labex ACTION  project (contract
1325 ``ANR-11-LABX-01-01'').  Computations  have been performed  on the Grid'5000 platform. As  a  PhD student,
1326 Mr. Ahmed  Fanfakh, would  like to  thank the University  of Babylon  (Iraq) for
1327 supporting his work.
1328
1329
1330 \bibliographystyle{elsarticle-num}
1331 \bibliography{my_reference}
1332
1333 \end{document}
1334
1335