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1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
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26
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28
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54 \begin{document} 
55
56 \title{Energy Consumption Reduction in heterogeneous architecture using DVFS}
57
58 \author{%
59   \IEEEauthorblockN{%
60     Jean-Claude Charr,
61     Raphaël Couturier,
62     Ahmed Fanfakh and
63     Arnaud Giersch
64   }
65   \IEEEauthorblockA{%
66     FEMTO-ST Institute\\
67     University of Franche-Comté\\
68     IUT de Belfort-Montbéliard,
69     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
70     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
71     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
72     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
73    }
74   }
75
76 \maketitle
77
78 \begin{abstract}
79   
80 \end{abstract}
81
82 \section{Introduction}
83 \label{sec.intro}
84
85
86 \section{Related works}
87 \label{sec.relwork}
88
89
90
91
92 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
93 \label{sec.exe}
94
95 % \JC{The whole subsection ``Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform'',
96 %   can be deleted if we need space, we can just say we are interested in this
97 %   paper in homogeneous clusters}
98
99 \subsection{The execution time of message passing distributed iterative applications on a heterogeneous platform}
100
101 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
102 passing distributed iterative synchronous applications running over
103 heterogeneous platforms. We define a heterogeneous platform as a collection of
104 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
105 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
106 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
107 have the same network bandwidth and latency.
108
109
110 \begin{figure}[t]
111   \centering
112     \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
113   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
114   \label{fig:heter}
115 \end{figure}
116
117  The  overall execution time  of a distributed iterative synchronous application over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and the communication time for every iteration on a node. However, due to the heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur when fast nodes have to
118  wait, during synchronous communications, for  the slower nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
119  Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
120  task which have the highest computation time and no slack time.
121  
122 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in modern processors, that reduces the energy consumption
123 of a CPU by scaling down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU and consequently its computing power, the execution time of a program running over that scaled down processor might increase, especially if the program is compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU as in EQ (\ref{eq:s}).
124 \begin{equation}
125   \label{eq:s}
126  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
127 \end{equation}
128  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional to the frequency scaling factor $S$. 
129  On the other hand,  message passing distributed applications consist of two parts: computation and communication. The execution time of the computation part is linearly proportional to the frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the scaling factor because  the processors involved remain idle during the  communications~\cite{17}. The communication time for a task is the summation of periods of time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message till the message is synchronously sent or received.
130
131 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
132 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
133 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
134 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
135 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
136 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
137 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
138 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
139 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
140 vector of scaling factors can be predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
141 \begin{equation}
142   \label{eq:perf}
143  \textit  T_\textit{new} = 
144  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm
145 \end{equation}
146 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
147  with scaling factor from each node  added to the communication time of the slowest node, it means  only the
148  communication time without any slack time. Therefore, we can consider the execution time of the iterative application is equal to the execution time of one iteration as in EQ(\ref{eq:perf}) multiplied by the number of iterations of that application.
149
150 This prediction model is based on our model for predicting the execution time of message passing distributed applications for homogeneous architectures~\cite{45}. The execution time prediction model is used in our method for optimizing both energy consumption and performance of iterative methods, which is presented in the following sections.
151
152
153 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
154
155 Many researchers~\cite{9,3,15,26} divide the power consumed by a processor into
156 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
157 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
158 computation times.  The dynamic power $P_{d}$ is related to the switching
159 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
160 operational frequency $F$, as shown in EQ(\ref{eq:pd}).
161 \begin{equation}
162   \label{eq:pd}
163   P_\textit{d} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
164 \end{equation}
165 The static power $P_{s}$ captures the leakage power as follows:
166 \begin{equation}
167   \label{eq:ps}
168    P_\textit{s}  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
169 \end{equation}
170 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
171 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
172 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
173 to execute a given program can be computed as:
174 \begin{equation}
175   \label{eq:eind}
176    E_\textit{ind} =  P_\textit{d} \cdot Tcp + P_\textit{s} \cdot T
177 \end{equation}
178 where $T$ is the execution time of the program, $T_{cp}$ is the computation
179 time and $T_{cp} \leq T$.  $T_{cp}$ may be equal to $T$ if there is no
180 communication and no slack time.
181
182 The main objective of DVFS operation is to
183 reduce the overall energy consumption~\cite{37}.  The operational frequency $F$
184 depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
185 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
186 voltage with respect to various frequency values in~\cite{3}.  The reduction
187 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
188 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
189 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
190 system's kernel to lower a core's frequency. we can calculate the new frequency 
191 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) as follow:
192 \begin{equation}
193   \label{eq:fnew}
194    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
195 \end{equation}
196 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following equation for dynamic 
197 power consumption:
198 \begin{multline}
199   \label{eq:pdnew}
200    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
201    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
202 \end{multline}
203 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the new frequency and the maximum frequency respectively.
204
205 According to EQ(\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
206 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{3}. Since the FLOPS of a CPU is proportional to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation and is given by the following equation:
207 \begin{equation}
208   \label{eq:Edyn}
209    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
210 \end{equation}
211 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation and even when idle. As in~\cite{3,46}, we assume that the static power of a processor is constant during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
212 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. According to the execution time model in EQ(\ref{eq:perf}), 
213 the execution time of the program is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
214 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. The static energy 
215 of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
216 \begin{equation}
217   \label{eq:Estatic}
218  E_\textit{s} = P_\textit{s} \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
219 \end{equation}
220
221 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency scaling factor and the dynamic power of each node as in EQ(\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies for each  processor.  It is computed as follows:
222 \begin{multline}
223   \label{eq:energy}
224  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
225  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
226   {MinTcm))}
227  \end{multline}
228
229 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
230 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
231 application and thus, increase the static energy because the execution time is
232 increased~\cite{36}. We can measure the overall energy consumption for the iterative 
233 application by measuring  the energy consumption for one iteration as in EQ(\ref{eq:energy}) multiplied by 
234 the number of iterations of that application.
235
236
237 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
238 \label{sec.compet}
239
240 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{45}, we  proposed a method that selects the optimal 
241 frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message passing iterative synchronous application while giving the best trade-off
242  between the energy consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
243 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off between energy consumption and performance. 
244
245 The relation between the energy consumption and the execution
246 time for an application is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
247 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
248 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{17}.  Moreover, they are
249 not measured using the same metric.  To solve this problem, we normalize the
250 execution time by computing the ratio between the new execution time (after scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum frequency for all nodes,) as follows:
251 \begin{multline}
252   \label{eq:pnorm}
253   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
254        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
255            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
256 \end{multline}
257
258
259 In the same way, we normalize the energy by computing the ratio between the consumed energy while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
260 \begin{multline}
261   \label{eq:enorm}
262   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
263   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
264  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
265  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i@+eYd162 \cdot T_{Old})}}
266 \end{multline} 
267 Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}).
268
269  While the main 
270 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized energy and execution time curves are not in the same direction. According 
271 to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the vector  of frequency
272 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
273 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
274 reduction with minimum execution time reduction.  
275
276 Many researchers used different strategies to solve this nonlinear problem for example
277 in~\cite{19,42}, their methods add big overheads to the algorithm to select the
278 suitable frequency.  In this paper we  present a method to find the optimal
279 set of frequency scaling factors to simultaneously optimize both energy and execution time
280  without adding a big overhead. \textbf{put the last two phrases in the related work section}
281  
282   
283 Our solution for this problem is to make the optimization process for energy and execution time follow the same
284 direction.  Therefore, we inverse the equation of the normalized execution time which gives 
285 the normalized performance equation, as follows:
286 \begin{multline}
287   \label{eq:pnorm_inv}
288   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
289           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
290             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
291 \end{multline}
292
293
294 \begin{figure}
295   \centering
296   \subfloat[Homogeneous platform]{%
297     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
298   \qquad%
299   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
300     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
301   \label{fig:rel}
302   \caption{The energy and performance relation}
303 \end{figure}
304
305 Then, we can model our objective function as finding the maximum distance
306 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the  performance
307 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
308 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
309 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}) .  Then our objective
310 function has the following form:
311 \begin{equation}
312   \label{eq:max}
313   Max Dist = 
314   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
315       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
316        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
317 \end{equation}
318 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
319 Then we can select the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  Our objective function can
320 work with any energy model or any power values for each node (static and dynamic powers).
321 However, the most energy reduction gain can be achieved when the energy curve has a convex form as shown in~\cite{15,3,19}.
322
323 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
324 \label{sec.optim}
325
326 In this section we  propose algorithm~(\ref{HSA}) which selects the frequency scaling factors vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous platform.  
327 It works online during the execution time of the iterative message passing program.  It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective function EQ(\ref{eq:max}). The program apply DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
328
329
330 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). These periods are called idle or slack times.
331 Our algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
332 \begin{equation}
333   \label{eq:Scp}
334  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
335 \end{equation}
336 Using the initial  frequency scaling factors computed in EQ(\ref{eq:Scp}), the algorithm computes the initial frequencies for all nodes as a ratio between the 
337 maximum frequency of node $i$  and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
338 \begin{equation}
339   \label{eq:Fint}
340  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
341 \end{equation}
342 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed initial frequency is replaced by the nearest available frequency.
343 In  figure (\ref{fig:st_freq}), the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new frequencies are coloured in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the optimal vector of frequencies because selecting frequency scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and it will increase its overall energy consumption. Therefore the frequency selecting factors algorithm starts its search method from these initial frequencies and takes a downward search direction. If the algorithm starts to search from the first frequencies of all nodes, regardless the higher bound frequencies, at each step the predicted performance and energy  are degreased  together, then the best distance be unreachable. This case is similar to homogeneous scaling algorithm when all nodes in the cluster has the same computing power, therefore there is a smaller distance between the performance and the energy curves, while in a heterogeneous cluster the distance is bigger and the energy saving against smaller execution time is higher, as an example see figure~(\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}). The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node according to EQ(\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  all other nodes by one gear. The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective function EQ(\ref{eq:max}).
344 \begin{figure}[t]
345   \centering
346     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
347   \caption{Selecting the initial frequencies}
348   \label{fig:st_freq}
349 \end{figure}
350
351
352
353
354
355 \begin{algorithm}
356   \begin{algorithmic}[1]
357     % \footnotesize
358     \Require ~
359     \begin{description}
360     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
361     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
362     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
363     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
364     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
365     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
366     \end{description}
367     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
368
369     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
370     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
371     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
372     \If{(not the first frequency)}
373           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
374     \EndIf 
375     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
376     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
377     \State $Dist \gets 0$
378     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
379     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
380         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
381         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
382         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
383         \EndIf
384        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
385        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
386                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
387        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
388        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
389       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
390         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
391         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
392       \EndIf
393     \EndWhile
394     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
395   \end{algorithmic}
396   \caption{Heterogeneous scaling algorithm}
397   \label{HSA}
398 \end{algorithm}
399
400 \begin{algorithm}
401   \begin{algorithmic}[1]
402     % \footnotesize
403     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
404       \State Computations section.
405       \State Communications section.
406       \If {$(k=1)$}
407         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
408                communication from each node.
409         \State Call algorithm from Figure~\ref{HSA} with these times.
410         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
411                returned optimal scaling factors.
412         \State Set the new frequencies to nodes.
413       \EndIf
414     \EndFor
415   \end{algorithmic}
416   \caption{DVFS algorithm}
417   \label{dvfs}
418 \end{algorithm}
419
420 \section{Experimental results}
421 \label{sec.expe}
422
423 The experiments of this work are executed on the simulator SimGrid/SMPI
424 v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}. We are configure the
425 simulator to use a heterogeneous cluster with one core per node. The proposed
426 heterogeneous cluster has four different types of nodes. Each node in the cluster
427 has different characteristics such as the maximum frequency speed, the number of
428 available frequencies and dynamic and static powers values, see table
429 (\ref{table:platform}). These different types of processing nodes are simulate some
430 real Intel processors. The maximum number of nodes that supported by the cluster
431 is 144 nodes according to characteristics of some MPI programs of the NAS
432 benchmarks v3.3 \cite{44} that used. We are use the same number from each type of nodes when we
433 run the iterative MPI programs, for example if  we are execute the program on 8 node, there
434 are 2 nodes from each type participating in the computation. The dynamic and
435 static power values is different from one type to other. Each node has a dynamic
436 and static power values proportionally increased to their computing power (FLOPS), for more
437 details see the Intel data sheets in \cite{47}.  Each node has a percentage of
438 80\% for dynamic power and 20\% for static power of the total power
439 consumption of a CPU, the same assumption is made in \cite{45,3}. These nodes are
440 connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth. The proposed scaling algorithm has a small
441 execution time: for a heterogeneous cluster composed of four different types of
442 nodes having the characteristics presented in table~(\ref{table:platform}), it  
443 takes \np[ms]{0.04} on average for 4 nodes and \np[ms]{0.15} on average for 144
444 nodes.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the
445 number of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm
446 needs on average from 12 to 20 iterations to selects the best vector of frequency scaling factors that give the results of the next section.
447 \begin{table}[htb]
448   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
449   % title of Table
450   \centering
451   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
452     \hline
453     Node     & Similar     & Max        & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
454     type     & to          & Freq. GHz  & Freq. GHz    & Freq. GHz       & power        & power \\
455     \hline
456     1       & core-i3       & 2.5         & 1.2          & 0.1           & 20~w         &4~w    \\
457             &  2100T        &             &              &               &              &  \\
458     \hline
459     2       & Xeon          & 2.66        & 1.6          & 0.133         & 25~w         &5~w    \\
460             & 7542          &             &              &               &              &  \\
461     \hline
462     3       & core-i5       & 2.9         & 1.2          & 0.1           & 30~w         &6~w    \\
463             & 3470s         &             &              &               &              &  \\
464     \hline
465     4       & core-i7       & 3.4         & 1.6          & 0.133         & 35~w         &7~w    \\
466             & 2600s         &             &              &               &              &  \\
467     \hline
468   \end{tabular}
469   \label{table:platform}
470 \end{table}
471
472  
473 %\subsection{Performance prediction verification}
474
475
476 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
477 \label{sec.res}
478
479 The proposed algorithm was applied to seven MPI programs of the NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) NPB v3.3,  which were run with three classes (A, B and C).
480 In this experiments we are interested to run the class C, the biggest class compared to A and B, on different number of 
481 nodes, from 4 to 144 nodes according to the type of the iterative MPI program.  Depending on the proposed energy consumption model EQ(\ref{eq:energy}),
482  we are measure the energy consumption for all the NAS MPI programs. The dynamic and static power values are used under the same assumption used by \cite{45,3}, we are used a percentage of 80\% for dynamic power and 20\% for static of the total power consumption of a CPU. The heterogeneous nodes in table (\ref{table:platform}) have different  simulated computing power (FLOPS), ranked from the node of type 1 with smaller computing power (FLOPS) to the highest computing power (FLOPS) for node of type 4. Therefore, the power values are used proportionally increased from nodes of type 1 to nodes of type 4 that with highest computing power. Then, we are used an assumption that the power consumption is increased linearly when the computing power (FLOPS) of the processor is increased, see \cite{48}.   
483  
484 \begin{table}[htb]
485   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
486   % title of Table
487   \centering
488   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
489     \hline
490     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
491     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
492     \hline
493     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
494     \hline 
495     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
496    \hline
497     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
498    \hline
499     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
500     \hline
501     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
502    \hline
503     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
504    \hline
505     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
506 \hline 
507   \end{tabular}
508   \label{table:res_4n}
509 \end{table}
510
511 \begin{table}[htb]
512   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
513   % title of Table
514   \centering
515   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
516     \hline
517     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
518     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
519     \hline
520     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
521     \hline 
522     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
523    \hline
524     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
525    \hline
526     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
527     \hline
528     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
529    \hline
530     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
531    \hline
532     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
533 \hline 
534   \end{tabular}
535   \label{table:res_8n}
536 \end{table}
537
538 \begin{table}[htb]
539   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
540   % title of Table
541   \centering
542   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
543     \hline
544     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
545     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
546     \hline
547     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
548     \hline 
549     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
550    \hline
551     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
552    \hline
553     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
554     \hline
555     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
556    \hline
557     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
558    \hline
559     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
560 \hline 
561   \end{tabular}
562   \label{table:res_16n}
563 \end{table}
564
565 \begin{table}[htb]
566   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
567   % title of Table
568   \centering
569   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
570     \hline
571     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
572     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
573     \hline
574     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
575     \hline 
576     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
577    \hline
578     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
579    \hline
580     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
581     \hline
582     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
583    \hline
584     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
585    \hline
586     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
587 \hline 
588   \end{tabular}
589   \label{table:res_32n}
590 \end{table}
591
592 \begin{table}[htb]
593   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
594   % title of Table
595   \centering
596   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
597     \hline
598     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
599     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
600     \hline
601     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
602     \hline 
603     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
604    \hline
605     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
606    \hline
607     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
608     \hline
609     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
610    \hline
611     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
612    \hline
613     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
614 \hline 
615   \end{tabular}
616   \label{table:res_64n}
617 \end{table}
618
619
620 \begin{table}[htb]
621   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
622   % title of Table
623   \centering
624   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
625     \hline
626     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
627     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
628     \hline
629     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
630     \hline 
631     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
632    \hline
633     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
634    \hline
635     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
636     \hline
637     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
638    \hline
639     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
640    \hline
641     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
642 \hline 
643   \end{tabular}
644   \label{table:res_128n}
645 \end{table}
646
647 The results of applying the proposed scaling algorithm to the NAS benchmarks is demonstrated in tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). These tables are show the experimental results for running the NAS benchmarks on different number of nodes. In general the energy saving percent is decreased  when the number of the computing nodes is increased. Also the distance is decreased by the same direction of the energy saving. This because when we are run the iterative MPI programs on a big number of nodes the communications times is increased, so the static energy is increased linearly to these times. The tables also show that the performance degradation percent still approximately the same ratio or decreased in a very small present when the number of computing nodes is increased. This is gives a good prove that the proposed algorithm keeping the performance degradation as mush as possible is the same. 
648
649 \begin{figure}
650   \centering
651   \subfloat[CG, MG, LU and FT benchmarks]{%
652     \includegraphics[width=.23185\textwidth]{fig/avg_eq}\label{fig:avg_eq}}%
653   \quad%
654   \subfloat[BT and SP benchmarks]{%
655     \includegraphics[width=.23185\textwidth]{fig/avg_neq}\label{fig:avg_neq}}
656   \label{fig:avg}
657   \caption{The average of energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
658 \end{figure}
659
660 In the NAS benchmarks there are some programs executed on different number of
661 nodes. The benchmarks CG, MG, LU and FT executed on 2 to a power of (1, 2, 4, 8,
662 \dots{}) of nodes. The other benchmarks such as BT and SP executed on 2 to a
663 power of (1, 2, 4, 9, \dots{}) of nodes. We are take the average of energy
664 saving, performance degradation and distances for all results of NAS
665 benchmarks. The average of values of these three objectives are plotted to the number of
666 nodes as in plots (\ref{fig:avg_eq} and \ref{fig:avg_neq}).  In CG, MG, LU, and
667 FT benchmarks the average of energy saving is decreased when the number of nodes
668 is increased because the communication times is increased as mentioned
669 before. Thus, the average of distances (our objective function) is decreased
670 linearly with energy saving while keeping the average of performance degradation approximately is 
671 the same. In BT and SP benchmarks, the average of the  energy saving is not decreased
672 significantly compare to other benchmarks when the number of nodes is
673 increased. Nevertheless, the average of performance degradation approximately
674 still the same ratio. This difference is depends on the characteristics of the
675 benchmark such as the computations to communications ratio that has.
676
677 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
678
679 The results of the previous section are obtained using a percentage of 80\% for
680 dynamic power and 20\% for static power of the total power consumption of a CPU. In this
681 section we are change these ratio by using two others power scenarios. Because is
682 interested to measure the ability of the proposed algorithm when these power ratios are changed. 
683 In fact, we are used two different scenarios for dynamic and static power ratios in addition to the previous
684 scenario in section (\ref{sec.res}). Therefore, we have three different
685 scenarios for three different dynamic and static power ratios refer to these as: 
686 70\%-20\%, 80\%-20\% and 90\%-10\% scenario respectively. The results of these scenarios
687 running the NAS benchmarks class C on 8 or 9 nodes are place in the tables
688 (\ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}).
689
690  \begin{table}[htb]
691   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
692   % title of Table
693   \centering
694   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
695     \hline
696     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
697     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
698     \hline
699     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
700     \hline 
701     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
702    \hline
703     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
704    \hline
705     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
706     \hline
707     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
708    \hline
709     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
710    \hline
711     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
712 \hline 
713   \end{tabular}
714   \label{table:res_s1}
715 \end{table}
716
717
718
719 \begin{table}[htb]
720   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
721   % title of Table
722   \centering
723   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
724     \hline
725     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
726     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
727     \hline
728     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
729     \hline 
730     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
731    \hline
732     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
733    \hline
734     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
735     \hline
736     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
737    \hline
738     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
739    \hline
740     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
741 \hline 
742   \end{tabular}
743   \label{table:res_s2}
744 \end{table}
745
746
747 \begin{figure}
748   \centering
749   \subfloat[Comparison the average of the results on 8 nodes]{%
750     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
751   \quad%
752   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors for 8 nodes]{%
753     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
754   \label{fig:comp}
755   \caption{The comparison of the three power scenarios}
756 \end{figure}  
757
758 To compare the results of these three powers scenarios, we are take the average of the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks running on 8 or 9 nodes of class C, as in figure (\ref{fig:sen_comp}). Thus, according to the average of these results, the energy saving ratio is increased when using a higher percentage for dynamic power (e.g. 90\%-10\% scenario), due to increase in dynamic energy. While the average of energy saving is decreased in 70\%-30\% scenario. Because the static energy consumption is increase. Moreover, the average of distances is more related to energy saving changes. The average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). The raison behind these relations, that the proposed algorithm optimize both energy consumption and performance in the same time. Therefore, when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selecting bigger frequency scaling factors values, more energy saving versus more performance degradation, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The inverse happen when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects a smaller scaling values, less energy saving versus less performance degradation. This is because the  
759 algorithm is optimizes the  static energy consumption that is always related to the execution time. 
760
761 \subsection{The verifications of the proposed method}
762 \label{sec.verif}
763 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model EQ(\ref{eq:energy}). The energy model is significantly depends on the execution time model, that the static energy is related linearly. So, our work is depends mainly on execution time model. To verifying this model, we are compared the predicted execution time with the real execution time (Simgrid time) values that gathered  offline from the NAS benchmarks class B executed on 8 or 9 nodes. The execution time model can predicts the real execution time by maximum normalized error equal to 0.03 for all the NAS benchmarks. The second verification that we are made is for the proposed scaling algorithm to prove its ability to selects the best vector of the frequency scaling factors. Therefore, we are expand the algorithm to test at each iteration the frequency scaling factor of the slowest node with the all available scaling factors of the other nodes, all possible solutions. This version of the algorithm is applied to different NAS benchmarks classes with different number of nodes. The results from the expanded algorithms and the proposed algorithm are identical. While the proposed algorithm is runs  by 10 times faster on average compare to the expanded algorithm.
764
765 \section{Conclusion}
766 \label{sec.concl}
767
768
769 \section*{Acknowledgment}
770
771
772 % trigger a \newpage just before the given reference
773 % number - used to balance the columns on the last page
774 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
775 % the document is modified later
776 %\IEEEtriggeratref{15}
777
778 \bibliographystyle{IEEEtran}
779 \bibliography{IEEEabrv,my_reference}
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781
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