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53
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}
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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
93 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
94 \label{sec.exe}
95
96 % \JC{The whole subsection ``Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform'',
97 %   can be deleted if we need space, we can just say we are interested in this
98 %   paper in homogeneous clusters}
99
100 \subsection{The execution time of message passing distributed iterative applications on a heterogeneous platform}
101 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message passing distributed iterative synchronous applications running over  heterogeneous platforms. We define a heterogeneous platform as  a collection of  heterogeneous  computing nodes interconnected via a high speed  homogeneous network. Therefore, each node has different characteristics such as computing power (FLOPS), energy consumption, cpu's frequency range, ... but they all have the same network bandwidth and latency.
102
103
104 \begin{figure}[t]
105   \centering
106     \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
107   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
108   \label{fig:heter}
109 \end{figure}
110
111  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
112  wait, during synchronous communications, for  the slower nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
113  Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
114  task which have the highest computation time and no slack time.
115  
116 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in modern processors, that reduces the energy consumption
117 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}).
118 \begin{equation}
119   \label{eq:s}
120  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
121 \end{equation}
122  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional to the frequency scaling factor $S$. 
123  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.
124
125 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics, especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector: $(S_1, S_2,..., S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of scaling factors, the  communication time and the computation time  for all the 
126  tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS operation. Then the execution time for one iteration of the application with any vector of scaling factors  can be  predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
127  
128   
129   
130 \begin{multline}
131   \label{eq:perf}
132  \textit  T_\textit{new} = 
133  {} \max_{i=1,2,\dots,N} (TcpOld_{i} \cdot S_{i}) +  TcmOld_{j}
134 \end{multline}
135 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first iteration and $TcmOld_j$ is the communication time of the slowest processor $j$.
136   The model computes the maximum computation time 
137  with scaling factor from each node  added to the communication time of the slowest node, it means  only the
138  communication time without any slack time. 
139
140 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.
141
142
143 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
144
145 Many researchers~\cite{9,3,15,26} divide the power consumed by a processor into
146 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
147 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
148 computation times.  The dynamic power $P_{d}$ is related to the switching
149 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
150 operational frequency $F$, as shown in EQ(\ref{eq:pd}).
151 \begin{equation}
152   \label{eq:pd}
153   P_\textit{d} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
154 \end{equation}
155 The static power $P_{s}$ captures the leakage power as follows:
156 \begin{equation}
157   \label{eq:ps}
158    P_\textit{s}  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
159 \end{equation}
160 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
161 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
162 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
163 to execute a given program can be computed as:
164 \begin{equation}
165   \label{eq:eind}
166    E_\textit{ind} =  P_\textit{d} \cdot T_{cp} + P_\textit{s} \cdot T
167 \end{equation}
168 where $T$ is the execution time of the program, $T_{cp}$ is the computation
169 time and $T_{cp} \leq T$.  $T_{cp}$ may be equal to $T$ if there is no
170 communication and no slack time.
171
172 The main objective of DVFS operation is to
173 reduce the overall energy consumption~\cite{37}.  The operational frequency $F$
174 depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
175 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
176 voltage with respect to various frequency values in~\cite{3}.  The reduction
177 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
178 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
179 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
180 system's kernel to lower a core's frequency. we can calculate the new frequency 
181 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) as follow:
182 \begin{equation}
183   \label{eq:fnew}
184    F_\textit{new} = S^{-1} .  F_\textit{max}
185 \end{equation}
186 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following equation for dynamic 
187 power consumption:
188 \begin{multline}
189   \label{eq:pdnew}
190    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
191    = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
192 \end{multline}
193 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the new frequency and the maximum frequency respectively.
194
195 According to EQ(\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
196 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:
197 \begin{equation}
198   \label{eq:Edyn}
199    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (T_{cp} \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  T_{cp} 
200 \end{equation}
201 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. 
202 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}), 
203 the execution time of the program is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
204 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. The static energy 
205 of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
206
207 \begin{equation}
208   \label{eq:Estatic}
209  E_\textit{s} = P_\textit{s} \cdot (T_{cp} \cdot S  + T_{cm})
210 \end{equation}
211
212 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and static powers, noted as $P_{di}$ and $P_{si}$ respectively. Therefore, even if the distributed message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ noted $T_{cpi}$ 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 $T_{cmi}$ 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 is the summation of all dynamic and static energies for each  processor.  It is computed as follows:
213 \begin{multline}
214   \label{eq:energy}
215  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot P_{di} \cdot  T_{cpi})} +\\ 
216  {}\sum_{i=1}^{N} {(P_{si} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (T_{cpi} \cdot S_{i}) +} 
217  {}\min_{i=1,2,\dots,N} {T_{cmi}))} 
218  \end{multline}
219  
220 Reducing the the frequencies of the processors according to the vector of scaling factors $(S_1, S_2,..., S_N)$  may degrade the  performance of the application and thus,
221 increase the static energy because the execution time is increased~\cite{36}.
222
223 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
224 \label{sec.compet}
225 Applying DVFS to lower level  not surly reducing the energy consumption to minimum level. Also, a big scaling for the frequency produces high performance degradation percent. Moreover, by considering the  drastically  increase in execution time of parallel program, the static energy is related to this time 
226 and it also increased by the same ratio. Thus, the opportunity for gaining more energy reduction is restricted. For that choosing frequency scaling factors is very important process to taking into account both energy and performance. In our previous work~\cite{45}, we are proposed a method that selects the optimal frequency scaling factor for an homogeneous cluster, depending on the trade-off relation between the energy and performance. In this work we have an  heterogeneous cluster, at each node there is different scaling factors, so our goal is to selects the optimal set of frequency scaling factors, $Sopt_1,Sopt_2,...,Sopt_N$, that gives the best trade-off  between energy consumption and performance. The relation between the energy and the execution time is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the performance and  the scaling factor,  the relation of the energy with the frequency scaling factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{17}.  Moreover, they are not measured using the same metric.  To solve this problem, we normalize the execution time by calculating the ratio between the new execution time (the scaled execution time) and the old one as follow:
227 \begin{multline}
228   \label{eq:pnorm}
229   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
230           = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +\min_{i=1,2,\dots,N} {Tcm_{i}}} 
231            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
232 \end{multline}
233
234
235 By the same way, we are normalize the energy by calculating the ratio between the consumed energy with scaled frequency and the consumed energy without scaled frequency:
236 \begin{multline}
237   \label{eq:enorm}
238   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
239    = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
240  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
241  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
242 \end{multline} 
243 Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ is computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}). The second problem 
244 is that the optimization operation for both energy and performance is not in the same direction.  
245 In other words, the normalized energy and the normalized execution time curves are not at the same direction.  
246 While the main goal is to optimize the energy and execution time in the same time.  According to the 
247 equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the set of frequency scaling factors $S_1,S_2,...,S_N$ reduce both the energy and the
248 execution time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
249 reduction with minimum execution time reduction.  Many researchers used different
250 strategies to solve this nonlinear problem for example see~\cite{19,42}, their
251 methods add big overheads to the algorithm to select the suitable frequency.
252 In this paper we are present a method to find the optimal set of frequency scaling factors to optimize both energy and execution time simultaneously
253 without adding a big overhead.  Our solution for this problem is to make the optimization process
254 for energy and execution time follow the same direction.  Therefore, we inverse the equation of the normalized
255 execution time, the normalized performance,  as follows:
256
257 \begin{multline}
258   \label{eq:pnorm_inv}
259   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
260           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
261             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +\min_{i=1,2,\dots,N} {Tcm_{i}}} 
262 \end{multline}
263
264
265 \begin{figure}
266   \centering
267   \subfloat[Homogeneous platform]{%
268     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
269   \qquad%
270   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
271     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
272   \label{fig:rel}
273   \caption{The energy and performance relation}
274 \end{figure}
275
276 Then, we can model our objective function as finding the maximum distance
277 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the  performance
278 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
279 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (better
280 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}) .  Then our objective
281 function has the following form:
282 \begin{multline}
283   \label{eq:max}
284   Max Dist = 
285   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
286       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
287        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
288 \end{multline}
289 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
290 Then we can select the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  Our objective function can
291 work with any energy model or energy values stored in a data file.
292 Moreover, this function works in optimal way when the energy curve has a convex
293 form over the available frequency scaling factors as shown in~\cite{15,3,19}.
294
295 \section{The heterogeneous scaling algorithm }
296 \label{sec.optim}
297 In this section we proposed an heterogeneous scaling algorithm, (figure~\ref{HSA}), that selects the optimal set of scaling factors from each node. 
298 The algorithm is numerates the suitable range of available scaling factors for each node in the heterogeneous cluster, returns a set of optimal frequency scaling factors for each node. Using heterogeneous cluster is produces different workloads for each node. Therefore, the fastest nodes waiting at the barrier for the slowest nodes to finish there work as in figure (\ref{fig:heter}). Our algorithm takes into account these imbalanced workloads when is starts to search for selecting the best scaling factors. So, the algorithm is selecting the initial frequencies values for each node proportional to the times of computations that gathered from the first iteration. As an example in figure (\ref{fig:st_freq}), the algorithm don't test the first frequencies of the fastest nodes until it converge their frequencies to the frequency of the slowest node. If the algorithm is starts test changing the frequency of the slowest nodes from beginning, we are loosing performance and then not selecting the best tradeoff (the distance). This case will be similar to the homogeneous cluster when all nodes scales their frequencies together from the  beginning. In this case there is a small distance between energy and performance curves, for example see the figure(\ref{fig:r1}).  Then the algorithm searching for optimal frequency  scaling factor from the selected frequencies until the last available ones. 
299 \begin{figure}[t]
300   \centering
301     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
302   \caption{Selecting the initial frequencies}
303   \label{fig:st_freq}
304 \end{figure}
305
306
307 To compute the initial frequencies, the algorithm firstly needs to compute the computation scaling factors $Scp_i$ for each node. Each one of these factors represent a ratio between the computation time of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follow:
308 \begin{equation}
309   \label{eq:Scp}
310  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
311 \end{equation}
312 Depending on the initial computation scaling factors EQ(\ref{eq:Scp}), the algorithm computes the initial frequencies for all nodes as a ratio between the 
313 maximum frequency of node $i$  and the computation scaling factor $Scp_i$ as follow:
314 \begin{equation}
315   \label{eq:Fint}
316  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
317 \end{equation}
318 \begin{figure}[tp]
319   \begin{algorithmic}[1]
320     % \footnotesize
321     \Require ~
322     \begin{description}
323     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
324     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
325     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
326     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
327     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
328     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
329     \end{description}
330     \Ensure $Sopt_1, \dots ,Sopt_N$ is a set of optimal scaling factors 
331
332     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
333     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
334     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
335     \If{(not the first frequency)}
336           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,...,N.$
337     \EndIf 
338     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,...,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
339     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
340     \State $Dist \gets 0$
341     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,...,N. $
342     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
343         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
344         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,...,N.$ 
345         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,...,N.$ 
346         \EndIf
347        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + min_\textit{~i=1,\dots,N}(Tcm_i) $
348        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
349                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
350        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
351        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
352       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
353         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,...,N. $
354         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
355       \EndIf
356     \EndWhile
357     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2, \dots ,Sopt_N$
358   \end{algorithmic}
359   \caption{Heterogeneous scaling algorithm}
360   \label{HSA}
361 \end{figure}
362 When the initial frequencies are computed the algorithm numerates all available scaling factors starting from these frequencies  until all nodes reach their 
363 minimum frequencies. At each iteration the algorithm remains the frequency of the slowest node without change and scaling the frequency of the other nodes. This is gives better performance and energy tradeoff. 
364 The proposed algorithm works online during the execution time of the MPI
365 program.  Its returns a set of optimal frequency scaling factors $Sopt_i$ depending on the objective function EQ(\ref{eq:max}). The program changes the new frequencies of the CPUs according to the computed scaling factors.  This algorithm has a small execution time: 
366 for an heterogeneous  cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in
367 table~(\ref{table:platform}), it takes \np[ms]{0.04} on average for 4 nodes and
368 \np[ms]{0.1} on average for 128 nodes.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, 
369 where $F$ is the number of iterations and $N$ is the number of
370 computing nodes. The algorithm needs on average from 12 to 20 iterations for all the NAS benchmark on class C to selects the best set of frequency scaling factors. Its called just once during the execution of the program.  The DVFS figure~(\ref{dvfs}) shows where and when the algorithm is
371 called in the MPI program.
372 \begin{figure}[tp]
373   \begin{algorithmic}[1]
374     % \footnotesize
375     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
376       \State Computations section.
377       \State Communications section.
378       \If {$(k=1)$}
379         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
380                communication from each node.
381         \State Call algorithm from Figure~\ref{HSA} with these times.
382         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
383                returned optimal scaling factors.
384         \State Set the new frequencies to nodes.
385       \EndIf
386     \EndFor
387   \end{algorithmic}
388   \caption{DVFS algorithm}
389   \label{dvfs}
390 \end{figure}
391
392 \section{Experimental results}
393 \label{sec.expe}
394 The experiments  of this work are executed on the simulator Simgrid/SMPI v3.10. We configure the simulator to use a heterogeneous cluster 
395 with one core per node. The proposed heterogeneous cluster has four different types of nodes. Each node in cluster has different characteristics 
396 such as the maximum frequency speed, the number of available frequencies and dynamic and static powers values, see table (\ref{table:platform}). These different types of processing nodes simulate some real Intel processors. The maximum number of nodes that supported by the cluster is 144 nodes according to  characteristics of some MPI programs of the NAS benchmarks that used. We are use the same number from each type of nodes when running the MPI programs, for example if we execute the program on 8 node, there are 2 nodes from each type participating in the computing. The dynamic and static power values is different from one type to other. Each node has a dynamic and static power values proportional to their performance/GFlops, for more details see the Intel data sheets in \cite{47}.  Each node has a percentage of  80\% for dynamic power and 20\% for static power from the hole power consumption, the same assumption is made in \cite{45,3}. These nodes are connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
397 \begin{table}[htb]
398   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
399   % title of Table
400   \centering
401   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
402     \hline
403     Node     & Similar     & Max        & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
404     type     & to          & Freq. GHz  & Freq. GHz    & Freq GHz       & power        & power \\
405     \hline
406     1       & core-i3       & 2.5         & 1.2          & 0.1           & 20~w         &4~w    \\
407             &  2100T        &             &              &               &              &  \\
408     \hline
409     2       & Xeon          & 2.66        & 1.6          & 0.133         & 25~w         &5~w    \\
410             & 7542          &             &              &               &              &  \\
411     \hline
412     3       & core-i5       & 2.9         & 1.2          & 0.1           & 30~w         &6~w    \\
413             & 3470s         &             &              &               &              &  \\
414     \hline
415     4       & core-i7       & 3.4         & 1.6          & 0.133         & 35~w         &7~w    \\
416             & 2600s         &             &              &               &              &  \\
417     \hline
418   \end{tabular}
419   \label{table:platform}
420 \end{table}
421
422  
423 %\subsection{Performance prediction verification}
424
425
426 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
427 \label{sec.res}
428
429 The proposed algorithm was applied to seven MPI programs of the NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) NPB v3.
430 \cite{44},  which were run with three classes (A, B and C).
431 In this experiments we are focus on running of the class C, the biggest class compared to A and B, on different number of 
432 nodes, from 4 to 128 or 144 nodes according to the type of the MPI program.  Depending on the proposed energy consumption model EQ(\ref{eq:energy}),
433  we are measure the energy consumption for all NAS MPI programs. The dynamic and static power values used under the same assumption used by \cite{45,3}. We used a percentage of 80\% for dynamic power from all power consumption of the CPU and 20\% for static power. The heterogeneous nodes in table (\ref{table:platform}) have different  simulated performance, ranked from the node of type 1 with smaller performance/GFlops to the highest performance/GFlops for node 4. Therefore, the power values used proportionally increased from node 1 to node 4 that with highest performance. Then we used an assumption that the power consumption increases linearly with the performance/GFlops of the processor see \cite{48}.   
434  
435 \begin{table}[htb]
436   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
437   % title of Table
438   \centering
439   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
440     \hline
441     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
442     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
443     \hline
444     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
445     \hline 
446     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
447    \hline
448     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
449    \hline
450     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
451     \hline
452     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
453    \hline
454     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
455    \hline
456     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
457 \hline 
458   \end{tabular}
459   \label{table:res_4n}
460 \end{table}
461
462 \begin{table}[htb]
463   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
464   % title of Table
465   \centering
466   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
467     \hline
468     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
469     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
470     \hline
471     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
472     \hline 
473     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
474    \hline
475     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
476    \hline
477     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
478     \hline
479     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
480    \hline
481     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
482    \hline
483     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
484 \hline 
485   \end{tabular}
486   \label{table:res_8n}
487 \end{table}
488
489 \begin{table}[htb]
490   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
491   % title of Table
492   \centering
493   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
494     \hline
495     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
496     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
497     \hline
498     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
499     \hline 
500     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
501    \hline
502     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
503    \hline
504     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
505     \hline
506     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
507    \hline
508     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
509    \hline
510     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
511 \hline 
512   \end{tabular}
513   \label{table:res_16n}
514 \end{table}
515
516 \begin{table}[htb]
517   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
518   % title of Table
519   \centering
520   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
521     \hline
522     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
523     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
524     \hline
525     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
526     \hline 
527     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
528    \hline
529     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
530    \hline
531     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
532     \hline
533     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
534    \hline
535     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
536    \hline
537     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
538 \hline 
539   \end{tabular}
540   \label{table:res_32n}
541 \end{table}
542
543 \begin{table}[htb]
544   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
545   % title of Table
546   \centering
547   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
548     \hline
549     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
550     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
551     \hline
552     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
553     \hline 
554     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
555    \hline
556     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
557    \hline
558     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
559     \hline
560     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
561    \hline
562     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
563    \hline
564     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
565 \hline 
566   \end{tabular}
567   \label{table:res_64n}
568 \end{table}
569
570
571 \begin{table}[htb]
572   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
573   % title of Table
574   \centering
575   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
576     \hline
577     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
578     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
579     \hline
580     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
581     \hline 
582     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
583    \hline
584     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
585    \hline
586     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
587     \hline
588     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
589    \hline
590     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
591    \hline
592     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
593 \hline 
594   \end{tabular}
595   \label{table:res_128n}
596 \end{table}
597
598 The results of applying the proposed scaling algorithm to NAS benchmarks is demonstrated in tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, 
599 \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). These tables show the 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. While the distance is decreased by the same direction. This because when we are run the MPI programs on a big number of nodes the communications is biggest than the computations, so the static energy is increased linearly to these times. The tables also show that performance degradation percent still approximately the same or decreased a little when the number of computing nodes is increased. This  gives good a prove that the proposed algorithm keeping as mush as possible the performance degradation. 
600
601 \begin{figure}
602   \centering
603   \subfloat[Balanced nodes type scenario]{%
604     \includegraphics[width=.23185\textwidth]{fig/avg_eq}\label{fig:avg_eq}}%
605   \quad%
606   \subfloat[Imbalanced nodes type scenario]{%
607     \includegraphics[width=.23185\textwidth]{fig/avg_neq}\label{fig:avg_neq}}
608   \label{fig:avg}
609   \caption{The average of energy and performance for all Nas benchmarks running with difference number of nodes}
610 \end{figure}
611
612 In the NAS benchmarks there are some programs executed on different number of nodes. The benchmarks CG, MG, LU and FT executed on 2 to a power of (1, 2, 4, 8, ...) of nodes. The other benchmarks such as BT and SP executed on 2 to a power of (1, 2, 4, 9, ...) of nodes. We are take the average of energy saving, performance degradation and distances for all results of NAS benchmarks. The average of these three objectives are plotted to the number of nodes as in plots (\ref{fig:avg_eq} and \ref{fig:avg_neq}).  In CG, MG, LU, and FT benchmarks the average of energy saving is decreased when the number of nodes is increased due to the increasing in the communication times as mentioned before. Thus, the average of distances (our objective function) is decreased linearly with energy saving while keeping the average of performance degradation the same. In BT and SP benchmarks, the average of energy saving is not decreased significantly compare to other benchmarks when the number of nodes is increased. Nevertheless, the average of performance  degradation approximately still the same ratio. This difference is depends on the characteristics of the benchmarks such as the computation to communication ratio that has. 
613
614 \subsection{The results for different powers scenarios}
615 The results of the previous section are obtained using a percentage of 80\% for dynamic power and 20\% for static power of total power consumption. In this section we are change these ratio by using two others scenarios. Because is  interested to measure the ability  of the proposed algorithm to changes it   behaviour when these power ratios are changed. In fact, we are use two different scenarios for dynamic and static power ratios in addition to the previous scenario in section (\ref{sec.res}). Therefore, we have three different scenarios for three different dynamic and static power ratios refer to as: 70\%-20\%, 80\%-20\% and 90\%-10\% scenario. The results of these scenarios running NAS benchmarks class C on 8 or 9 nodes are place in the tables (\ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}).
616
617  \begin{table}[htb]
618   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
619   % title of Table
620   \centering
621   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
622     \hline
623     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
624     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
625     \hline
626     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
627     \hline 
628     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
629    \hline
630     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
631    \hline
632     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
633     \hline
634     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
635    \hline
636     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
637    \hline
638     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
639 \hline 
640   \end{tabular}
641   \label{table:res_s1}
642 \end{table}
643
644
645
646 \begin{table}[htb]
647   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
648   % title of Table
649   \centering
650   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
651     \hline
652     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
653     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
654     \hline
655     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
656     \hline 
657     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
658    \hline
659     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
660    \hline
661     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
662     \hline
663     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
664    \hline
665     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
666    \hline
667     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
668 \hline 
669   \end{tabular}
670   \label{table:res_s2}
671 \end{table}
672
673
674 \begin{figure}
675   \centering
676   \subfloat[Comparison the average of the results on 8 nodes]{%
677     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
678   \quad%
679   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors for 8 nodes]{%
680     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
681   \label{fig:comp}
682   \caption{The comparison of the three power scenarios}
683 \end{figure}
684
685 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 the results, the energy saving ratio is increased when using the a higher percentage for dynamic power (e.g. 90\%-10\% scenario). While the average of energy saving is decreased in 70\%-30\% scenario. 
686 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  
687 algorithm also keeps as much as possible the static energy consumption that is always related to execution time. 
688
689 \subsection{The verifications of the proposed method}
690 \label{sec.verif}
691 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model and the energy model. The energy model is significantly depends on the execution time model EQ(\ref{eq:perf}), that the energy static related linearly. So, we are compare the predicted execution time with the real execution time (Simgrid time)  values that gathered  offline for the NAS benchmarks class B executed on 8 or 9 nodes. The execution time model can predicts 
692 the real execution time by maximum normalized error 0.03 of all NAS benchmarks. The second verification that we are make is for the scaling algorithm to prove its ability to selects the best set of 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 scaling factors available of the other nodes. This version of the algorithm is applied to different NAS benchmarks classes with different number of nodes. The results from the two algorithms is identical. While the proposed algorithm is runs faster, 10 times faster on average than the expanded algorithm.
693
694 \section{Conclusion}
695 \label{sec.concl}
696
697
698 \section*{Acknowledgment}
699
700
701 % trigger a \newpage just before the given reference
702 % number - used to balance the columns on the last page
703 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
704 % the document is modified later
705 %\IEEEtriggeratref{15}
706
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709 \end{document}
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