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[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
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56
57 \begin{document} 
58
59 \title{Energy Consumption Reduction for Message Passing Iterative  Applications in Heterogeneous Architecture Using DVFS}
60  
61 \author{% 
62   \IEEEauthorblockN{%
63     Jean-Claude Charr,
64     Raphaël Couturier,
65     Ahmed Fanfakh and
66     Arnaud Giersch
67   } 
68   \IEEEauthorblockA{%
69     FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comte\\
70     IUT de Belfort-Montbéliard,
71     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
72     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
73     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
74     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
75    }
76   }
77
78 \maketitle
79
80 \begin{abstract}
81 Computing platforms  are consuming  more and more  energy due to  the increasing
82 number  of nodes  composing  them.  To  minimize  the operating  costs of  these
83 platforms many techniques have been  used. Dynamic voltage and frequency scaling
84 (DVFS) is  one of them. It  reduces the frequency of  a CPU to  lower its energy
85 consumption.  However,  lowering the  frequency  of  a  CPU might  increase  the
86 execution  time of  an application  running on  that processor.   Therefore, the
87 frequency that  gives the best trade-off  between the energy  consumption and the
88 performance of an application must be selected.\\
89 In this  paper, a new  online frequencies selecting algorithm  for heterogeneous
90 platforms is presented.   It selects the frequency which tries  to give the best
91 trade-off  between  energy saving  and  performance  degradation,  for each  node
92 computing the message  passing iterative application. The algorithm  has a small
93 overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model for
94 message passing iterative applications  running on a heterogeneous platform. The
95 proposed algorithm is  evaluated on the SimGrid simulator  while running the NAS
96 parallel  benchmarks.  The  experiments   show  that  it  reduces  the  energy
97 consumption by up to 35\% while  limiting the performance degradation as much as
98 possible.   Finally,  the algorithm  is  compared  to  an existing  method,  the
99 comparison results showing that it outperforms the latter.
100
101 \end{abstract}
102
103 \section{Introduction}
104 \label{sec.intro}
105 The  need for  more  computing  power is  continually  increasing. To  partially
106 satisfy  this need,  most supercomputers  constructors just  put  more computing
107 nodes in their  platform. The resulting platforms might  achieve higher floating
108 point operations  per second  (FLOPS), but the  energy consumption and  the heat
109 dissipation  are  also increased.   As  an  example,  the Chinese  supercomputer
110 Tianhe-2 had  the highest FLOPS  in November 2014  according to the  Top500 list
111 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was  also the most power hungry
112 platform  with  its  over  3  million cores  consuming  around  17.8  megawatts.
113 Moreover,    according   to    the    U.S.    annual    energy   outlook    2014
114 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the  price of energy  for 1 megawatt-hour
115 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
116 the Tianhe-2  platform is approximately more  than \$10 million  each year.  The
117 computing platforms must  be more energy efficient and  offer the highest number
118 of FLOPS  per watt  possible, such as  the L-CSC  from the GSI  Helmholtz Center
119 which became the top of the Green500 list in November 2014 \cite{Green500_List}.
120 This heterogeneous platform executes more than 5 GFLOPS per watt while consuming
121 57.15 kilowatts.
122
123 Besides platform  improvements, there are many software  and hardware techniques
124 to lower  the energy consumption of  these platforms, such  as scheduling, DVFS,
125 \dots{}  DVFS is a widely used process to reduce the energy consumption of a
126 processor            by             lowering            its            frequency
127 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
128 the number of FLOPS executed by the processor which might increase the execution
129 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
130 different optimization  strategies to select  the frequency that gives  the best
131 trade-off  between the  energy reduction  and performance  degradation  ratio. In
132 \cite{Our_first_paper}, a  frequency selecting algorithm was  proposed to reduce
133 the energy  consumption of message  passing iterative applications  running over
134 homogeneous platforms.  The results of  the experiments show  significant energy
135 consumption  reductions. In  this  paper, a  new  frequency selecting  algorithm
136 adapted  for heterogeneous  platform  is  presented. It  selects  the vector  of
137 frequencies, for  a heterogeneous platform  running a message  passing iterative
138 application, that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
139 minimum performance degradation ratio. The  algorithm has a very small overhead,
140 works online and does not need any training or profiling.
141
142 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
143 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
144 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
145 model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
146 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
147 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
148 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified. 
149 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
150 on a heterogeneous platform. It shows the results of running three 
151 different power scenarios and comparing them. Moreover, it also shows the comparison results
152 between the proposed method and an existing method.
153 Finally, in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
154
155 \section{Related works}
156 \label{sec.relwork}
157 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
158 the frequency of the CPU while computing, in order to reduce the energy
159 consumption of the processor. DVFS is also allowed in GPUs to achieve the same
160 goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and might
161 degrade the performance of the application running on that processor, especially
162 if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a
163 processor to satisfy some objectives while taking into account all the
164 constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different
165 strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that
166 compute the new frequency while executing the application, such
167 as~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}.
168 Others used offline methods that might need to run the application and profile
169 it before selecting the new frequency, such
170 as~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}.
171 The methods could be heuristics, exact or brute force methods that satisfy
172 varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be
173 adapted to the execution's environment and the type of the application such as
174 sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous
175 platform, synchronous or asynchronous application, \dots{}
176
177 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
178 Some works have already been done for such platforms and they can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
179 \begin{itemize}
180
181 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
182 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
183
184 \end{itemize}
185
186 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are
187 executed on the GPUs and the rest are executed on the CPUs.  Luley et
188 al.~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed a
189 heterogeneous cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main
190 goal was to maximize the energy efficiency of the platform during computation by
191 maximizing the number of FLOPS per watt generated.
192 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et
193 al. developed a scheduling algorithm that distributes workloads proportional to
194 the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks
195 must be completed at the same time.  In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU},
196 Rong et al. showed that a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables
197 DVFS gave better energy and performance efficiency than other clusters only
198 composed of CPUs.
199  
200 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with
201 heterogeneous CPUs.  Many methods were conceived to reduce the energy
202 consumption of this type of platform.  Naveen et
203 al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} developed a method that
204 minimizes the value of $\mathit{energy}\times \mathit{delay}^2$ (the delay is
205 the sum of slack times that happen during synchronous communications) by
206 dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous
207 cluster. Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling}
208 proposed an algorithm that divides the executed tasks into two types: the
209 critical and non critical tasks. The algorithm scales down the frequency of non
210 critical tasks proportionally to their slack and communication times while
211 limiting the performance degradation percentage to less than
212 10\%. In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed a
213 heterogeneous cluster composed of two types of Intel and AMD processors. They
214 use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
215 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and
216 \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, the best
217 frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using
218 some heuristic. Chen et
219 al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic
220 programming approach to minimize the power consumption of heterogeneous servers
221 while respecting given time constraints. This approach had considerable
222 overhead.  In contrast to the above described papers, this paper presents the
223 following contributions :
224 \begin{enumerate}
225 \item  two new energy and performance models for message passing iterative synchronous applications running over 
226        a heterogeneous platform. Both models take into account  communication and slack times. The models can predict the required energy and the execution time of the application.
227        
228 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous platforms. The algorithm has a very small 
229       overhead and does not need any training or profiling. It uses a new optimization function which simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption of a message passing iterative synchronous application.
230       
231 \end{enumerate}
232
233 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
234 \label{sec.exe}
235
236
237
238 \subsection{The execution time of message passing distributed 
239                 iterative applications on a heterogeneous platform}
240
241 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
242 passing distributed iterative synchronous applications running over
243 heterogeneous platforms. A heterogeneous platform is defined as a collection of
244 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
245 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
246 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
247 have the same network bandwidth and latency.
248
249 The overall execution time of a distributed iterative synchronous application
250 over a heterogeneous platform consists of the sum of the computation time and
251 the communication time for every iteration on a node. However, due to the
252 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur
253 when fast nodes have to wait, during synchronous communications, for the slower
254 nodes to finish their computations (see Figure~\ref{fig:heter}).  Therefore, the
255 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task
256 which has the highest computation time and no slack time.
257   
258  \begin{figure}[!t]
259   \centering
260    \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
261   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
262   \label{fig:heter}
263 \end{figure}
264
265 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
266 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
267 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
268 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
269 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
270 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
271 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
272 as in (\ref{eq:s}).
273 \begin{equation}
274   \label{eq:s}
275  S = \frac{\Fmax}{\Fnew}
276 \end{equation}
277  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
278  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
279  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
280  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
281  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
282  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
283  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
284  The communication time for a task is the summation of  periods of 
285  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
286  until the message is synchronously sent or received.
287
288 Since in a heterogeneous platform each node has different characteristics,
289 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
290 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
291 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
292 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
293 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
294 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
295 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
296 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
297 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
298 \begin{equation}
299   \label{eq:perf}
300   \Tnew = \max_{i=1,2,\dots,N} ({\TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  \MinTcm
301 \end{equation}
302 Where:
303 \begin{equation}
304 \label{eq:perf2}
305  \MinTcm = \min_{i=1,2,\dots,N} (\Tcm_i)
306 \end{equation}
307 where  $\TcpOld_i$ is  the computation  time of  processor $i$  during  the first
308 iteration and $\MinTcm$  is the communication time of  the slowest processor from
309 the  first iteration.   The model  computes  the maximum  computation time  with
310 scaling factor  from each node  added to the  communication time of  the slowest
311 node. It means only the communication  time without any slack time is taken into
312 account.  Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
313 the  execution time of  one iteration  as in  (\ref{eq:perf}) multiplied  by the
314 number of iterations of that application.
315
316 This prediction model is developed from  the model to predict the execution time
317 of     message    passing     distributed    applications     for    homogeneous
318 architectures~\cite{Our_first_paper}.   The execution  time prediction  model is
319 used in  the method  to optimize both the energy consumption and the performance of
320 iterative methods, which is presented in the following sections.
321
322
323 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
324 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
325 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
326 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
327 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
328 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
329 computation times.  The dynamic power $\Pd$ is related to the switching
330 activity $\alpha$, load capacitance $\CL$, the supply voltage $V$ and
331 operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
332 \begin{equation}
333   \label{eq:pd}
334   \Pd = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot F
335 \end{equation}
336 The static power $\Ps$ captures the leakage power as follows:
337 \begin{equation}
338   \label{eq:ps}
339    \Ps  = V \cdot \Ntrans \cdot \Kdesign \cdot \Ileak
340 \end{equation}
341 where V is the supply voltage, $\Ntrans$ is the number of transistors,
342 $\Kdesign$ is a design dependent parameter and $\Ileak$ is a
343 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
344 to execute a given program can be computed as:
345 \begin{equation}
346   \label{eq:eind}
347   \Eind =  \Pd \cdot \Tcp + \Ps \cdot T
348 \end{equation}
349 where $T$ is the execution time of the program, $\Tcp$ is the computation
350 time and $\Tcp \le T$.  $\Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
351 communication and no slack time.
352
353 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
354 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
355 constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the dynamic
356 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
357 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
358 ratio between the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).
359 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
360 system's kernel to lower a core's frequency. The new frequency 
361 $\Fnew$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as follows:
362 \begin{equation}
363   \label{eq:fnew}
364    \Fnew = S^{-1} \cdot \Fmax
365 \end{equation}
366 Replacing $\Fnew$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following 
367 equation for dynamic power consumption:
368 \begin{multline}
369   \label{eq:pdnew}
370    \PdNew = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fnew = \alpha \cdot \CL \cdot \beta^2 \cdot \Fnew^3 \\
371    {} = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fmax \cdot S^{-3} = \PdOld \cdot S^{-3}
372 \end{multline}
373 where $\PdNew$  and $\PdOld$ are the  dynamic power consumed with the 
374 new frequency and the maximum frequency respectively.
375
376 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
377 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
378 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
379 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
380 and is given by the following equation:
381 \begin{equation}
382   \label{eq:Edyn}
383    \EdNew = \PdOld \cdot S^{-3} \cdot (\Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot \PdOld \cdot  \Tcp 
384 \end{equation}
385 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
386 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
387  the static power of a processor is considered as constant 
388 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
389 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
390 According to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
391 is the sum of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
392 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
393 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
394 \begin{equation}
395   \label{eq:Estatic}
396   \Es = \Ps \cdot (\Tcp \cdot S  + \Tcm)
397 \end{equation}
398
399 In  the  considered  heterogeneous  platform,  each  processor  $i$  might  have
400 different   dynamic  and  static   powers,  noted   as  $\Pd_{i}$   and  $\Ps_{i}$
401 respectively.  Therefore,  even if  the  distributed  message passing  iterative
402 application  is  load balanced,  the  computation time  of  each  CPU $i$  noted
403 $\Tcp_{i}$ might  be different and  different frequency scaling factors  might be
404 computed in order to decrease  the overall energy consumption of the application
405 and reduce slack  times.  The communication time of a processor  $i$ is noted as
406 $\Tcm_{i}$  and could  contain slack  times when  communicating  with slower
407 nodes,  see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore,  all nodes  do  not have  equal
408 communication  times. While  the dynamic  energy  is computed  according to  the
409 frequency  scaling   factor  and   the  dynamic  power   of  each  node   as  in
410 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed  as the sum of the execution time
411 of  one iteration multiplied  by the static  power of  each processor.   The overall
412 energy consumption of a message  passing distributed application executed over a
413 heterogeneous platform during one iteration  is the summation of all dynamic and
414 static energies for each processor.  It is computed as follows:
415 \begin{multline}
416   \label{eq:energy}
417  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot \Pd_{i} \cdot  \Tcp_i)} + {} \\
418  \sum_{i=1}^{N} (\Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp_i \cdot S_{i}) +
419   {\MinTcm))}
420  \end{multline}
421
422 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
423 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
424 application and thus, increase the static energy because the execution time is
425 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption for the iterative 
426 application can be measured by measuring  the energy consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) 
427 multiplied by the number of iterations of that application.
428
429
430 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
431 \label{sec.compet}
432
433 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
434 energy efficient  execution of an  application. Indeed, even though  the dynamic
435 power  is  reduced  while  scaling  down  the  frequency  of  a  processor,  its
436 computation power  is proportionally decreased. Hence, the  execution time might
437 be drastically  increased and  during that time,  dynamic and static  powers are
438 being consumed.  Therefore,  it might cancel any gains  achieved by scaling down
439 the frequency of all nodes to  the minimum and the overall energy consumption of
440 the application might not  be the optimal one.  It is not  trivial to select the
441 appropriate frequency  scaling factor for  each processor while  considering the
442 characteristics  of each  processor  (computation power,  range of  frequencies,
443 dynamic  and static  powers)  and the  task executed  (computation/communication
444 ratio). The  aim being  to reduce  the overall energy  consumption and  to avoid
445 increasing    significantly    the    execution    time.   In    our    previous
446 work~\cite{Our_first_paper},  we  proposed a  method  that  selects the  optimal
447 frequency scaling factor  for a homogeneous cluster executing  a message passing
448 iterative synchronous  application while giving  the best trade-off  between the
449 energy consumption and  the performance for such applications.   In this work we
450 are  interested  in heterogeneous  clusters  as  described  above.  Due  to  the
451 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should
452 be selected and  it must give the best trade-off  between energy consumption and
453 performance.
454
455 The  relation between  the  energy consumption  and  the execution  time for  an
456 application  is complex  and nonlinear,  Thus, unlike  the relation  between the
457 execution time and  the scaling factor, the relation between  the energy and the
458 frequency   scaling    factors   is   nonlinear,   for    more   details   refer
459 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.   Moreover,  these relations
460 are not  measured using the same  metric.  To solve this  problem, the execution
461 time is normalized by computing the  ratio between the new execution time (after
462 scaling  down the  frequencies of  some processors)  and the  initial  one (with
463 maximum frequency for all nodes) as follows:
464 \begin{multline}
465   \label{eq:pnorm}
466   \Pnorm = \frac{\Tnew}{\Told}\\
467        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp_{i} \cdot S_{i}) +\MinTcm}
468            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(\Tcp_i+\Tcm_i)}}
469 \end{multline}
470
471
472 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the consumed energy 
473 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
474 \begin{multline}
475   \label{eq:enorm}
476   \Enorm = \frac{\Ereduced}{\Eoriginal} \\
477   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot \Pd_i \cdot  \Tcp_i)} +
478  \sum_{i=1}^{N} {(\Ps_i \cdot \Tnew)}}{\sum_{i=1}^{N}{( \Pd_i \cdot  \Tcp_i)} +
479  \sum_{i=1}^{N} {(\Ps_i \cdot \Told)}}
480 \end{multline} 
481 Where $\Ereduced$ and $\Eoriginal$ are computed using (\ref{eq:energy}) and
482   $\Tnew$ and $\Told$ are computed as in (\ref{eq:pnorm}).
483
484 While the main 
485 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
486 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
487 to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the vector  of frequency
488 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
489 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
490 reduction with minimum execution time reduction.  
491   
492 This problem can be solved by making the optimization process for energy and 
493 execution time following the same direction.  Therefore, the equation of the 
494 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance equation, as follows:
495 \begin{multline}
496   \label{eq:pnorm_inv}
497   \Pnorm = \frac{\Told}{\Tnew}\\
498           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(\Tcp_i+\Tcm_i)}}
499             { \max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp_{i} \cdot S_{i}) + \MinTcm} 
500 \end{multline}
501
502
503 \begin{figure}[!t]
504   \centering
505   \subfloat[Homogeneous platform]{%
506     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
507   
508   
509   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
510     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
511   \label{fig:rel}
512   \caption{The energy and performance relation}
513 \end{figure}
514
515 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
516 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
517 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
518 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
519 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} or
520 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
521 \begin{equation}
522   \label{eq:max}
523   \MaxDist = 
524   \mathop{\max_{i=1,\dots F}}_{j=1,\dots,N}
525       (\overbrace{\Pnorm(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
526        \overbrace{\Enorm(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
527 \end{equation}
528 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each node. 
529 Then, the optimal set of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
530 The objective function can work with any energy model or any power values for each node 
531 (static and dynamic powers). However, the most important energy reduction gain can be achieved when 
532 the energy curve has a convex form as shown in~\cite{Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Hao_Learning.based.DVFS}.
533
534 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
535 \label{sec.optim}
536
537 \subsection{The algorithm details}
538 In this section, Algorithm~\ref{HSA} is presented. It selects the frequency
539 scaling factors vector that gives the best trade-off between minimizing the
540 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
541 synchronous iterative application executed on a heterogeneous platform. It works
542 online during the execution time of the iterative message passing program.  It
543 uses information gathered during the first iteration such as the computation
544 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
545 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
546 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
547 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
548 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
549 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
550 scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
551
552 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus
553 while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes
554 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
555 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
556 periods are called idle or slack times.  The algorithm takes into account this
557 problem and tries to reduce these slack times when selecting the frequency
558 scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors
559 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
560 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
561 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
562 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
563 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
564 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
565 \begin{equation}
566   \label{eq:Scp}
567  \Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\Tcp_i)}{\Tcp_i}
568 \end{equation}
569 Using the initial  frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
570 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
571 and the computation scaling factor $\Scp_i$ as follows:
572 \begin{equation}
573   \label{eq:Fint}
574  F_{i} = \frac{\Fmax_i}{\Scp_i},~{i=1,2,\dots,N}
575 \end{equation}
576 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
577 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
578 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing power in
579 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
580 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
581 frequencies are colored in blue in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
582 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
583 optimal vector of frequencies because selecting frequency scaling factors higher
584 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
585 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
586 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
587 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
588 frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher
589 bound until all nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall
590 energy consumption and performance, and select the optimal frequency scaling
591 factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node
592 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged,
593 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
594 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
595 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
596 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
597
598 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}  illustrate the normalized performance and
599 consumed  energy for  an application  running on  a homogeneous  platform  and a
600 heterogeneous platform respectively while increasing the scaling factors. It can
601 be noticed  that in a  homogeneous platform the  search for the  optimal scaling
602 factor should start  from the maximum frequency because  the performance and the
603 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand,
604 in the heterogeneous platform the  performance is maintained at the beginning of
605 the plot  even if the  frequencies of the  faster nodes decrease  until the
606 computing power of scaled down  nodes are lower than the slowest  node. In other
607 words, until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher
608 the difference between the faster nodes  and the slower nodes is, the bigger the
609 maximum distance  between the  energy curve and  the performance curve  is while
610  the scaling factors are varying which results in bigger energy savings.
611 \begin{figure}[!t]
612   \centering
613     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
614   \caption{Selecting the initial frequencies}
615   \label{fig:st_freq}
616 \end{figure}
617
618
619
620
621 \begin{algorithm}
622   \begin{algorithmic}[1]
623     % \footnotesize
624     \Require ~
625     \begin{description}
626     \item[$\Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
627     \item[$\Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
628     \item[$\Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
629     \item[$\Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
630     \item[$\Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
631     \item[$\Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
632     \end{description}
633     \Ensure $\Sopt_1,\Sopt_2 \dots, \Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
634
635     \State $\Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\Tcp_i)}{\Tcp_i} $
636     \State $F_{i} \gets  \frac{\Fmax_i}{\Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
637     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
638     \If{(not the first frequency)}
639           \State $F_i \gets F_i+\Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
640     \EndIf 
641     \State $\Told \gets max_{~i=1,\dots,N } (\Tcp_i+\Tcm_i)$
642     % \State $\Eoriginal \gets \sum_{i=1}^{N}{( \Pd_i \cdot  \Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(\Ps_i \cdot \Told)}$
643     \State $\Eoriginal \gets \sum_{i=1}^{N}{( \Pd_i \cdot  \Tcp_i + \Ps_i \cdot \Told)}$
644     \State $\Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
645     \State $\Dist \gets 0 $
646     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
647         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
648         \State $F_i \gets F_i - \Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
649         \State $S_i \gets \frac{\Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
650         \EndIf
651        \State $\Tnew \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (\Tcp_{i} \cdot S_{i}) + \MinTcm $
652 %       \State $\Ereduced \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot \Pd_i \cdot  \Tcp_i)} + \sum_{i=1}^{N} {(\Ps_i \cdot \rlap{\Tnew)}} $
653        \State $\Ereduced \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot \Pd_i \cdot  \Tcp_i + \Ps_i \cdot \rlap{\Tnew)}} $
654        \State $\Pnorm \gets \frac{\Told}{\Tnew}$
655        \State $\Enorm\gets \frac{\Ereduced}{\Eoriginal}$
656       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
657         \State $\Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
658         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
659       \EndIf
660     \EndWhile
661     \State  Return $\Sopt_1,\Sopt_2,\dots,\Sopt_N$
662   \end{algorithmic}
663   \caption{frequency scaling factors selection algorithm}
664   \label{HSA}
665 \end{algorithm}
666
667 \begin{algorithm}
668   \begin{algorithmic}[1]
669     % \footnotesize
670     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
671       \State Computations section.
672       \State Communications section.
673       \If {$(k=1)$}
674         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
675                communication from each node.
676         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
677         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
678                returned optimal scaling factors.
679         \State Set the new frequencies to nodes.
680       \EndIf
681     \EndFor
682   \end{algorithmic}
683   \caption{DVFS algorithm}
684   \label{dvfs}
685 \end{algorithm}
686
687 \subsection{The evaluation of the proposed algorithm}
688 \label{sec.verif.algo}
689 The precision  of the  proposed algorithm mainly  depends on the  execution time
690 prediction model  defined in  (\ref{eq:perf}) and the  energy model  computed by
691 (\ref{eq:energy}).   The energy  model is  also significantly  dependent  on the
692 execution  time model  because  the static  energy  is linearly  related to  the
693 execution time  and the dynamic energy  is related to the  computation time. So,
694 all the works presented  in this paper are based on the  execution time model. To
695 verify  this  model, the  predicted  execution time  was  compared  to the  real
696 execution          time           over          SimGrid/SMPI          simulator,
697 v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile},   for   all   the   NAS
698 parallel benchmarks NPB v3.3  \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}, running class B on
699 8 or  9 nodes. The comparison showed  that the proposed execution  time model is
700 very precise, the maximum  normalized difference between the predicted execution
701 time and the real execution time is equal to 0.03 for all the NAS benchmarks.
702
703 Since the proposed algorithm is not an exact method it does not test all the
704 possible solutions (vectors of scaling factors) in the search space. To prove
705 its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search
706 algorithm that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was
707 applied to different NAS benchmarks classes with different number of nodes. The
708 solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were
709 identical and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the
710 brute force algorithm. It has a small execution time: for a heterogeneous
711 cluster composed of four different types of nodes having the characteristics
712 presented in Table~\ref{table:platform}, it takes on average \np[ms]{0.04} for 4
713 nodes and \np[ms]{0.15} on average for 144 nodes to compute the best scaling
714 factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$
715 is the number of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The
716 algorithm needs from 12 to 20 iterations to select the best vector of frequency
717 scaling factors that gives the results of the next sections.
718
719 \section{Experimental results}
720 \label{sec.expe}
721 To  evaluate the  efficiency and  the  overall energy  consumption reduction  of
722 Algorithm~\ref{HSA}, it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3. The
723 experiments were executed on the  simulator SimGrid/SMPI which offers easy tools
724 to create a heterogeneous platform and run message passing applications over it.
725 The heterogeneous  platform that was used  in the experiments, had  one core per
726 node because just one process was executed per node.  The heterogeneous platform
727 was  composed  of  four  types  of  nodes. Each  type  of  nodes  had  different
728 characteristics  such as  the maximum  CPU  frequency, the  number of  available
729 frequencies  and the  computational power,  see Table~\ref{table:platform}. The
730 characteristics  of  these  different  types  of nodes  are  inspired  from  the
731 specifications of real  Intel processors.  The heterogeneous platform  had up to
732 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, for example if
733 a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the
734 constructors of  CPUs do not specify the  dynamic and the static  power of their
735 CPUs, for  each type of  node they were  chosen proportionally to  its computing
736 power  (FLOPS).  In  the initial  heterogeneous platform,  while  computing with
737 highest frequency,  each node  consumed an amount  of power proportional  to its
738 computing  power  (which  corresponds to  80\%  of  its  dynamic power  and  the
739 remaining  20\%  to  the  static   power),  the  same  assumption  was  made  in
740 \cite{Our_first_paper,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.    Finally,  These
741 nodes were connected via an Ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
742
743
744 \begin{table}[!t]
745   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
746   % title of Table
747   \centering
748   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
749     \hline
750     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
751     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
752                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
753     \hline
754     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~W         &4~W    \\
755          
756     \hline
757     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~W         &5~W    \\
758                   
759     \hline
760     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~W         &6~W    \\
761                   
762     \hline
763     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~W         &7~W    \\
764                   
765     \hline
766   \end{tabular}
767   \label{table:platform}
768 \end{table}
769
770  
771 %\subsection{Performance prediction verification}
772
773
774 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
775 \label{sec.res}
776
777
778 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG,
779 MG, FT, BT, LU and SP) and  the benchmarks were executed with the three classes:
780 A, B and C. However, due to the lack of space in this paper, only the results of
781 the  biggest class,  C, are  presented while  being run  on different  number of
782 nodes,  ranging from 4  to 128  or 144  nodes depending  on the  benchmark being
783 executed. Indeed, the benchmarks CG, MG, LU, EP and FT had to be executed on $1,
784 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes.   The other benchmarks such as BT and SP had to
785 be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
786
787  
788  
789 \begin{table}[!t]
790   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
791   % title of Table
792   \centering
793   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
794     \hline
795     \hspace{-2.2084pt}%
796     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
797     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
798     \hline
799     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
800     \hline 
801     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
802    \hline
803     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
804    \hline
805     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
806     \hline
807     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
808    \hline
809     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
810    \hline
811     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
812 \hline 
813   \end{tabular}
814   \label{table:res_4n}
815 % \end{table}
816
817 \medskip
818 % \begin{table}[!t]
819   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
820   % title of Table
821   \centering
822   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
823     \hline
824      \hspace{-2.2084pt}%
825     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
826     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
827     \hline
828     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
829     \hline 
830     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
831    \hline
832     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
833    \hline
834     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
835     \hline
836     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
837    \hline
838     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
839    \hline
840     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
841 \hline 
842   \end{tabular}
843   \label{table:res_8n}
844 % \end{table}
845
846 \medskip
847 % \begin{table}[!t]
848   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
849   % title of Table
850   \centering
851   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
852     \hline
853     \hspace{-2.2084pt}%
854     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
855     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
856     \hline
857     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
858     \hline 
859     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
860    \hline
861     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
862    \hline
863     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
864     \hline
865     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
866    \hline
867     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
868    \hline
869     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
870 \hline 
871   \end{tabular}
872   \label{table:res_16n}
873 % \end{table}
874
875 \medskip
876 % \begin{table}[!t]
877   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
878   % title of Table
879   \centering
880   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
881     \hline
882     \hspace{-2.2084pt}%
883     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
884     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
885     \hline
886     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
887     \hline 
888     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
889    \hline
890     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
891    \hline
892     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
893     \hline
894     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
895    \hline
896     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
897    \hline
898     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
899 \hline 
900   \end{tabular}
901   \label{table:res_32n}
902 % \end{table}
903
904 \medskip
905 % \begin{table}[!t]
906   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
907   % title of Table
908   \centering
909   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
910     \hline
911     \hspace{-2.2084pt}%
912     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
913     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
914     \hline
915     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
916     \hline 
917     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
918    \hline
919     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
920    \hline
921     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
922     \hline
923     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
924    \hline
925     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
926    \hline
927     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
928 \hline 
929   \end{tabular}
930   \label{table:res_64n}
931 % \end{table}
932
933 \medskip
934 % \begin{table}[!t]
935   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
936   % title of Table
937   \centering
938   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
939     \hline
940     \hspace{-2.2084pt}%
941     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
942     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
943     \hline
944     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
945     \hline 
946     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
947    \hline
948     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
949    \hline
950     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
951     \hline
952     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
953    \hline
954     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
955    \hline
956     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
957 \hline 
958   \end{tabular}
959   \label{table:res_128n}
960 \end{table}
961 The overall energy  consumption was computed for each  instance according to the
962 energy  consumption  model  (\ref{eq:energy}),  with and  without  applying  the
963 algorithm. The execution time was also measured for all these experiments. Then,
964 the energy saving and performance degradation percentages were computed for each
965 instance.    The   results   are   presented  in   Tables~\ref{table:res_4n},
966 \ref{table:res_8n},           \ref{table:res_16n},          \ref{table:res_32n},
967 \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}. All these results are the average
968 values  from many experiments  for energy  savings and  performance degradation.
969 The tables show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks
970 on  different  number  of  nodes.   The  experiments  show  that  the  algorithm
971 significantly reduces the energy consumption (up to 35\%) and tries to limit the
972 performance  degradation.  They  also  show that  the  energy saving  percentage
973 decreases when the  number of computing nodes increases.   This reduction is due
974 to the increase of the communication  times compared to the execution times when
975 the benchmarks are run over a high number of nodes.  Indeed, the benchmarks with
976 the  same  class,  C,  are  executed  on different  numbers  of  nodes,  so  the
977 computation required  for each iteration is  divided by the  number of computing
978 nodes.  On the other hand,  more communications are required when increasing the
979 number  of  nodes so  the  static energy  increases  linearly  according to  the
980 communication time and the dynamic power  is less relevant in the overall energy
981 consumption.   Therefore, reducing the  frequency with  Algorithm~\ref{HSA} is
982 less effective  in reducing the overall  energy savings. It can  also be noticed
983 that for the benchmarks EP and  SP that contain little or no communications, the
984 energy savings are  not significantly affected by the high  number of nodes.  No
985 experiments were conducted  using bigger classes than D,  because they require a
986 lot  of memory (more  than 64GB)  when being  executed by  the simulator  on one
987 machine.   The maximum  distance between  the  normalized energy  curve and  the
988 normalized performance for each instance is  also shown in the result tables. It
989 decrease in the same way as  the energy saving percentage.  The tables also show
990 that the performance degradation  percentage is not significantly increased when
991 the number  of computing  nodes is increased  because the computation  times are
992 small when compared to the communication times.
993
994
995  
996 \begin{figure}[!t]
997   \centering
998   \subfloat[Energy saving]{%
999     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
1000   
1001   \subfloat[Performance degradation ]{%
1002     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
1003   \label{fig:avg}
1004   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with a different number of nodes}
1005 \end{figure}
1006
1007 Figures~\ref{fig:energy} and  \ref{fig:per_deg} present  the energy  saving and
1008 performance  degradation respectively for  all the  benchmarks according  to the
1009 number of used nodes. As shown  in the first plot, the energy saving percentages
1010 of the benchmarks MG,  LU, BT and FT decrease linearly when  the number of nodes
1011 increase. While  for the EP and  SP benchmarks, the energy  saving percentage is
1012 not affected by the increase of  the number of computing nodes, because in these
1013 benchmarks there are little or  no communications. Finally, the energy saving of
1014 the  GC benchmark  significantly  decrease  when the  number  of nodes  increase
1015 because this benchmark has more  communications than the others. The second plot
1016 shows that  the performance  degradation percentages of  most of  the benchmarks
1017 decrease when  they run on a  big number of  nodes because they spend  more time
1018 communicating than computing,  thus, scaling down the frequencies  of some nodes
1019 has less effect on the performance.
1020
1021
1022
1023
1024 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
1025 \label{sec.compare}
1026 The results  of the previous section  were obtained while  using processors that
1027 consume during  computation an overall power  which is 80\%  composed of dynamic
1028 power and of 20\% of static power. In this section, these ratios are changed and
1029 two new  power scenarios are  considered in order  to evaluate how  the proposed
1030 algorithm adapts itself  according to the static and  dynamic power values.  The
1031 two new power scenarios are the following:
1032
1033 \begin{itemize}
1034 \item 70\% of dynamic power  and 30\% of static power
1035 \item 90\% of dynamic power  and 10\% of static power
1036 \end{itemize}
1037
1038 The NAS parallel benchmarks were  executed again over processors that follow the
1039 new power scenarios.   The class C of each  benchmark was run over 8  or 9 nodes
1040 and   the    results   are   presented   in    Tables~\ref{table:res_s1}   and
1041 \ref{table:res_s2}. These tables  show that the energy saving  percentage of the
1042 70\%-30\% scenario is  smaller for all benchmarks compared  to the energy saving
1043 of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in  the latter more dynamic power is consumed
1044 when  nodes are running  on their  maximum frequencies,  thus, scaling  down the
1045 frequency of  the nodes results in  higher energy savings than  in the 70\%-30\%
1046 scenario. On the  other hand, the performance degradation  percentage is smaller
1047 in the 70\%-30\% scenario compared to the 90\%-10\% scenario. This is due to the
1048 higher  static  power percentage  in  the first  scenario  which  makes it  more
1049 relevant in the  overall consumed energy.  Indeed, the  static energy is related
1050 to the execution time and if  the performance is degraded the amount of consumed
1051 static  energy directly  increases.  Therefore,  the proposed  algorithm  does not
1052 really significantly  scale down much the  frequencies of the nodes  in order to
1053 limit the  increase of the  execution time and  thus limiting the effect  of the
1054 consumed static energy.
1055
1056 Both   new  power   scenarios   are  compared   to   the  old   one  in
1057 Figure~\ref{fig:sen_comp}. It  shows the average of the  performance degradation, the
1058 energy saving and the  distances for all NAS benchmarks of class  C running on 8
1059 or 9 nodes.   The comparison shows that the energy  saving ratio is proportional
1060 to the dynamic power ratio: it is increased when applying the 90\%-10\% scenario
1061 because at  maximum frequency  the dynamic  energy is the  most relevant  in the
1062 overall consumed  energy and can  be reduced by  lowering the frequency  of some
1063 processors. On  the other hand, the  energy saving decreases  when the 70\%-30\%
1064 scenario is  used because  the dynamic  energy is less  relevant in  the overall
1065 consumed energy and  lowering the frequency does not  return big energy savings.
1066 Moreover, the average  of the performance degradation is  decreased when using a
1067 higher  ratio   for  static  power  (e.g.   70\%-30\%   scenario  and  80\%-20\%
1068 scenario). Since  the proposed algorithm  optimizes the energy  consumption when
1069 using a  higher ratio for dynamic  power the algorithm  selects bigger frequency
1070 scaling  factors that result  in more  energy saving  but less  performance, for
1071 example see  Figure~\ref{fig:scales_comp}. The  opposite happens when  using a
1072 higher  ratio for  static power,  the algorithm  proportionally  selects smaller
1073 scaling  values which result  in less  energy saving  but also  less performance
1074 degradation.
1075
1076
1077  \begin{table}[!t]
1078   \caption{The results of the 70\%-30\% power scenario}
1079   % title of Table
1080   \centering
1081   \begin{tabular}{|*{6}{r|}}
1082     \hline
1083     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1084     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1085     \hline
1086     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
1087     \hline 
1088     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
1089    \hline
1090     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
1091    \hline
1092     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
1093     \hline
1094     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
1095    \hline
1096     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
1097    \hline
1098     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
1099 \hline 
1100   \end{tabular}
1101   \label{table:res_s1}
1102 \end{table}
1103
1104
1105
1106 \begin{table}[!t]
1107   \caption{The results of the 90\%-10\% power scenario}
1108   % title of Table
1109   \centering
1110   \begin{tabular}{|*{6}{r|}}
1111     \hline
1112     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1113     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1114     \hline
1115     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1116     \hline 
1117     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1118    \hline
1119     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1120    \hline
1121     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1122     \hline
1123     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1124    \hline
1125     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1126    \hline
1127     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1128 \hline 
1129   \end{tabular}
1130   \label{table:res_s2}
1131 \end{table}
1132
1133 \begin{table}[!t]
1134  \caption{Comparing the proposed algorithm}
1135  \centering
1136 \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
1137 \hline
1138 Program & \multicolumn{2}{c|}{Energy saving \%} & \multicolumn{2}{c|}{Perf.  degradation \%} & \multicolumn{2}{c|}{Distance} \\ \cline{2-7} 
1139 name    & EDP             & MaxDist          & EDP            & MaxDist           & EDP          & MaxDist        \\ \hline
1140 CG      & 27.58           & 31.25            & 5.82           & 7.12              & 21.76        & 24.13          \\ \hline
1141 MG      & 29.49           & 33.78            & 3.74           & 6.41              & 25.75        & 27.37          \\ \hline
1142 LU      & 19.55           & 28.33            & 0.0            & 0.01              & 19.55        & 28.22          \\ \hline
1143 EP      & 28.40           & 27.04            & 4.29           & 0.49              & 24.11        & 26.55          \\ \hline
1144 BT      & 27.68           & 32.32            & 6.45           & 7.87              & 21.23        & 24.43          \\ \hline
1145 SP      & 20.52           & 24.73            & 5.21           & 2.78              & 15.31         & 21.95         \\ \hline
1146 FT      & 27.03           & 31.02            & 2.75           & 2.54              & 24.28        & 28.48           \\ \hline
1147
1148 \end{tabular}
1149 \label{table:compare_EDP}
1150 \end{table}
1151
1152 \begin{figure}[!t]
1153   \centering
1154   \subfloat[Comparison  between the results on 8 nodes]{%
1155     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1156
1157   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1158     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1159   \label{fig:comp}
1160   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1161 \end{figure}  
1162
1163 \begin{figure}[!t]
1164   \centering
1165    \includegraphics[scale=0.5]{fig/compare_EDP.pdf}
1166   \caption{Trade-off comparison for NAS benchmarks class C}
1167   \label{fig:compare_EDP}
1168 \end{figure}
1169
1170
1171 \subsection{The comparison of the proposed scaling algorithm }
1172 \label{sec.compare_EDP}
1173 In this section, the scaling factors selection algorithm, called MaxDist, is
1174 compared to Spiliopoulos et al. algorithm
1175 \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, called EDP.  They developed a
1176 green governor that regularly applies an online frequency selecting algorithm to
1177 reduce the energy consumed by a multicore architecture without degrading much
1178 its performance. The algorithm selects the frequencies that minimize the energy
1179 and delay products, $\mathit{EDP}=\mathit{energy}\times \mathit{delay}$ using
1180 the predicted overall energy consumption and execution time delay for each
1181 frequency.  To fairly compare both algorithms, the same energy and execution
1182 time models, equations (\ref{eq:energy}) and (\ref{eq:fnew}), were used for both
1183 algorithms to predict the energy consumption and the execution times. Also
1184 Spiliopoulos et al. algorithm was adapted to start the search from the initial
1185 frequencies computed using the equation (\ref{eq:Fint}). The resulting algorithm
1186 is an exhaustive search algorithm that minimizes the EDP and has the initial
1187 frequencies values as an upper bound.
1188
1189 Both algorithms were applied to the parallel NAS benchmarks to compare their
1190 efficiency. Table~\ref{table:compare_EDP} presents the results of comparing the
1191 execution times and the energy consumption for both versions of the NAS
1192 benchmarks while running the class C of each benchmark over 8 or 9 heterogeneous
1193 nodes. The results show that our algorithm provides better energy savings than
1194 Spiliopoulos et al. algorithm, on average it results in 29.76\% energy saving
1195 while their algorithm returns just 25.75\%. The average of performance
1196 degradation percentage is approximately the same for both algorithms, about 4\%.
1197
1198
1199 For all benchmarks,  our algorithm outperforms Spiliopoulos et  al. algorithm in
1200 terms of  energy and  performance trade-off, see  Figure~\ref{fig:compare_EDP},
1201 because it maximizes the distance  between the energy saving and the performance
1202 degradation values while giving the same weight for both metrics.
1203
1204
1205 \section{Conclusion}
1206 \label{sec.concl} 
1207 In this paper, a new online frequency selecting algorithm has been presented. It
1208 selects the  best possible  vector of frequency  scaling factors that  gives the
1209 maximum  distance  (optimal  trade-off)  between  the predicted  energy  and  the
1210 predicted performance curves for a heterogeneous platform. This algorithm uses a
1211 new  energy  model  for  measuring  and predicting  the  energy  of  distributed
1212 iterative  applications running  over heterogeneous  platforms. To  evaluate the
1213 proposed method, it was applied on the NAS parallel benchmarks and executed over
1214 a heterogeneous  platform simulated by  SimGrid. The results of  the experiments
1215 showed that the algorithm reduces up to 35\% the energy consumption of a message
1216 passing iterative method while limiting  the degradation of the performance. The
1217 algorithm also selects different scaling  factors according to the percentage of
1218 the computing and communication times, and according to the values of the static
1219 and  dynamic  powers  of the  CPUs.   Finally,  the  algorithm was  compared  to
1220 Spiliopoulos et al.  algorithm and  the results showed that it outperforms their
1221 algorithm in terms of energy-time trade-off.
1222
1223 In the near future, this method  will be applied to real heterogeneous platforms
1224 to evaluate its  performance in a real study case. It  would also be interesting
1225 to evaluate its scalability over large scale heterogeneous platforms and measure
1226 the energy  consumption reduction it can  produce.  Afterward, we  would like to
1227 develop a similar method that  is adapted to asynchronous iterative applications
1228 where  each task  does not  wait for  other tasks  to finish  their  works.  The
1229 development of such a method might require a new energy model because the number
1230 of iterations is  not known in advance and depends on  the global convergence of
1231 the iterative system.
1232
1233 \section*{Acknowledgment}
1234
1235 This work has been partially supported by the Labex
1236 ACTION project (contract “ANR-11-LABX-01-01”). As a PhD student, 
1237 Mr. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
1238 Babylon (Iraq) for supporting his work. 
1239
1240
1241 % trigger a \newpage just before the given reference
1242 % number - used to balance the columns on the last page
1243 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1244 % the document is modified later
1245 %\IEEEtriggeratref{15}
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