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[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
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59
60 \begin{document} 
61
62 \title{Energy Consumption Reduction for Message Passing Iterative  Applications in Heterogeneous Architecture Using DVFS}
63  
64 \author{% 
65   \IEEEauthorblockN{%
66     Jean-Claude Charr,
67     Raphaël Couturier,
68     Ahmed Fanfakh and
69     Arnaud Giersch
70   } 
71   \IEEEauthorblockA{%
72     FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comte\\
73     IUT de Belfort-Montbéliard,
74     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
75     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
76     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
77     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
78    }
79   }
80
81 \maketitle
82
83 \begin{abstract}
84 Computing platforms  are consuming  more and more  energy due to  the increasing
85 number  of nodes  composing  them.  To  minimize  the operating  costs of  these
86 platforms many techniques have been  used. Dynamic voltage and frequency scaling
87 (DVFS) is  one of them. It  reduces the frequency of  a CPU to  lower its energy
88 consumption.  However,  lowering the  frequency  of  a  CPU might  increase  the
89 execution  time of  an application  running on  that processor.   Therefore, the
90 frequency that  gives the best trade-off  between the energy  consumption and the
91 performance of an application must be selected.\\
92 In this  paper, a new  online frequencies selecting algorithm  for heterogeneous
93 platforms is presented.   It selects the frequency which tries  to give the best
94 trade-off  between  energy saving  and  performance  degradation,  for each  node
95 computing the message  passing iterative application. The algorithm  has a small
96 overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model for
97 message passing iterative applications  running on a heterogeneous platform. The
98 proposed algorithm is  evaluated on the SimGrid simulator  while running the NAS
99 parallel  benchmarks.  The  experiments   show  that  it  reduces  the  energy
100 consumption by up to 35\% while  limiting the performance degradation as much as
101 possible.   Finally,  the algorithm  is  compared  to  an existing  method,  the
102 comparison results showing that it outperforms the latter.
103
104 \end{abstract}
105
106 \section{Introduction}
107 \label{sec.intro}
108 The  need for  more  computing  power is  continually  increasing. To  partially
109 satisfy  this need,  most supercomputers  constructors just  put  more computing
110 nodes in their  platform. The resulting platforms might  achieve higher floating
111 point operations  per second  (FLOPS), but the  energy consumption and  the heat
112 dissipation  are  also increased.   As  an  example,  the Chinese  supercomputer
113 Tianhe-2 had  the highest FLOPS  in November 2014  according to the  Top500 list
114 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was  also the most power hungry
115 platform  with  its  over  3  million cores  consuming  around  17.8  megawatts.
116 Moreover,    according   to    the    U.S.    annual    energy   outlook    2014
117 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the  price of energy  for 1 megawatt-hour
118 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
119 the Tianhe-2  platform is approximately more  than \$10 million  each year.  The
120 computing platforms must  be more energy efficient and  offer the highest number
121 of FLOPS  per watt  possible, such as  the L-CSC  from the GSI  Helmholtz Center
122 which became the top of the Green500 list in November 2014 \cite{Green500_List}.
123 This heterogeneous platform executes more than 5 GFLOPS per watt while consuming
124 57.15 kilowatts.
125
126 Besides platform  improvements, there are many software  and hardware techniques
127 to lower  the energy consumption of  these platforms, such  as scheduling, DVFS,
128 \dots{}  DVFS is a widely used process to reduce the energy consumption of a
129 processor            by             lowering            its            frequency
130 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
131 the number of FLOPS executed by the processor which might increase the execution
132 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
133 different optimization  strategies to select  the frequency that gives  the best
134 trade-off  between the  energy reduction  and performance  degradation  ratio. In
135 \cite{Our_first_paper}, a  frequency selecting algorithm was  proposed to reduce
136 the energy  consumption of message  passing iterative applications  running over
137 homogeneous platforms.  The results of  the experiments show  significant energy
138 consumption  reductions. In  this  paper, a  new  frequency selecting  algorithm
139 adapted  for heterogeneous  platform  is  presented. It  selects  the vector  of
140 frequencies, for  a heterogeneous platform  running a message  passing iterative
141 application, that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
142 minimum performance degradation ratio. The  algorithm has a very small overhead,
143 works online and does not need any training or profiling.
144
145 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
146 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
147 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
148 model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
149 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
150 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
151 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified. 
152 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
153 on a heterogeneous platform. It shows the results of running three 
154 different power scenarios and comparing them. Moreover, it also shows the comparison results
155 between the proposed method and an existing method.
156 Finally, in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
157
158 \section{Related works}
159 \label{sec.relwork}
160 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
161 the frequency of the CPU while computing, in order to reduce the energy
162 consumption of the processor. DVFS is also allowed in GPUs to achieve the same
163 goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and might
164 degrade the performance of the application running on that processor, especially
165 if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a
166 processor to satisfy some objectives while taking into account all the
167 constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different
168 strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that
169 compute the new frequency while executing the application, such
170 as~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}.
171 Others used offline methods that might need to run the application and profile
172 it before selecting the new frequency, such
173 as~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}.
174 The methods could be heuristics, exact or brute force methods that satisfy
175 varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be
176 adapted to the execution's environment and the type of the application such as
177 sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous
178 platform, synchronous or asynchronous application, \dots{}
179
180 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
181 Some works have already been done for such platforms and they can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
182 \begin{itemize}
183
184 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
185 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
186
187 \end{itemize}
188
189 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are
190 executed on the GPUs and the rest are executed on the CPUs.  Luley et
191 al.~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed a
192 heterogeneous cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main
193 goal was to maximize the energy efficiency of the platform during computation by
194 maximizing the number of FLOPS per watt generated.
195 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et
196 al. developed a scheduling algorithm that distributes workloads proportional to
197 the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks
198 must be completed at the same time.  In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU},
199 Rong et al. showed that a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables
200 DVFS gave better energy and performance efficiency than other clusters only
201 composed of CPUs.
202  
203 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with
204 heterogeneous CPUs.  Many methods were conceived to reduce the energy
205 consumption of this type of platform.  Naveen et
206 al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} developed a method that
207 minimizes the value of $\mathit{energy}\times \mathit{delay}^2$ (the delay is
208 the sum of slack times that happen during synchronous communications) by
209 dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous
210 cluster. Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling}
211 proposed an algorithm that divides the executed tasks into two types: the
212 critical and non critical tasks. The algorithm scales down the frequency of non
213 critical tasks proportionally to their slack and communication times while
214 limiting the performance degradation percentage to less than
215 10\%. In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed a
216 heterogeneous cluster composed of two types of Intel and AMD processors. They
217 use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
218 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and
219 \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, the best
220 frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using
221 some heuristic. Chen et
222 al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic
223 programming approach to minimize the power consumption of heterogeneous servers
224 while respecting given time constraints. This approach had considerable
225 overhead.  In contrast to the above described papers, this paper presents the
226 following contributions :
227 \begin{enumerate}
228 \item  two new energy and performance models for message passing iterative synchronous applications running over 
229        a heterogeneous platform. Both models take into account  communication and slack times. The models can predict the required energy and the execution time of the application.
230        
231 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous platforms. The algorithm has a very small 
232       overhead and does not need any training or profiling. It uses a new optimization function which simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption of a message passing iterative synchronous application.
233       
234 \end{enumerate}
235
236 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
237 \label{sec.exe}
238
239
240
241 \subsection{The execution time of message passing distributed 
242                 iterative applications on a heterogeneous platform}
243
244 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
245 passing distributed iterative synchronous applications running over
246 heterogeneous platforms. A heterogeneous platform is defined as a collection of
247 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
248 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
249 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
250 have the same network bandwidth and latency.
251
252 The overall execution time of a distributed iterative synchronous application
253 over a heterogeneous platform consists of the sum of the computation time and
254 the communication time for every iteration on a node. However, due to the
255 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur
256 when fast nodes have to wait, during synchronous communications, for the slower
257 nodes to finish their computations (see Figure~\ref{fig:heter}).  Therefore, the
258 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task
259 which has the highest computation time and no slack time.
260   
261  \begin{figure}[!t]
262   \centering
263    \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
264   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
265   \label{fig:heter}
266 \end{figure}
267
268 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
269 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
270 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
271 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
272 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
273 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
274 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
275 as in (\ref{eq:s}).
276 \begin{equation}
277   \label{eq:s}
278  S = \frac{\Fmax}{\Fnew}
279 \end{equation}
280  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
281  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
282  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
283  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
284  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
285  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
286  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
287  The communication time for a task is the summation of  periods of 
288  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
289  until the message is synchronously sent or received.
290
291 Since in a heterogeneous platform each node has different characteristics,
292 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
293 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
294 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
295 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
296 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
297 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
298 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
299 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
300 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
301 \begin{equation}
302   \label{eq:perf}
303   \Tnew = \max_{i=1,2,\dots,N} ({\TcpOld[i]} \cdot S_{i}) +  \MinTcm
304 \end{equation}
305 Where:
306 \begin{equation}
307 \label{eq:perf2}
308  \MinTcm = \min_{i=1,2,\dots,N} (\Tcm[i])
309 \end{equation}
310 where  $\TcpOld[i]$ is  the computation  time of  processor $i$  during  the first
311 iteration and $\MinTcm$  is the communication time of  the slowest processor from
312 the  first iteration.   The model  computes  the maximum  computation time  with
313 scaling factor  from each node  added to the  communication time of  the slowest
314 node. It means only the communication  time without any slack time is taken into
315 account.  Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
316 the  execution time of  one iteration  as in  (\ref{eq:perf}) multiplied  by the
317 number of iterations of that application.
318
319 This prediction model is developed from  the model to predict the execution time
320 of     message    passing     distributed    applications     for    homogeneous
321 architectures~\cite{Our_first_paper}.   The execution  time prediction  model is
322 used in  the method  to optimize both the energy consumption and the performance of
323 iterative methods, which is presented in the following sections.
324
325
326 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
327 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
328 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
329 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
330 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
331 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
332 computation times.  The dynamic power $\Pd$ is related to the switching
333 activity $\alpha$, load capacitance $\CL$, the supply voltage $V$ and
334 operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
335 \begin{equation}
336   \label{eq:pd}
337   \Pd = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot F
338 \end{equation}
339 The static power $\Ps$ captures the leakage power as follows:
340 \begin{equation}
341   \label{eq:ps}
342    \Ps  = V \cdot \Ntrans \cdot \Kdesign \cdot \Ileak
343 \end{equation}
344 where V is the supply voltage, $\Ntrans$ is the number of transistors,
345 $\Kdesign$ is a design dependent parameter and $\Ileak$ is a
346 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
347 to execute a given program can be computed as:
348 \begin{equation}
349   \label{eq:eind}
350   \Eind =  \Pd \cdot \Tcp + \Ps \cdot T
351 \end{equation}
352 where $T$ is the execution time of the program, $\Tcp$ is the computation
353 time and $\Tcp \le T$.  $\Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
354 communication and no slack time.
355
356 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
357 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
358 constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the dynamic
359 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
360 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
361 ratio between the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).
362 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
363 system's kernel to lower a core's frequency. The new frequency 
364 $\Fnew$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as follows:
365 \begin{equation}
366   \label{eq:fnew}
367    \Fnew = S^{-1} \cdot \Fmax
368 \end{equation}
369 Replacing $\Fnew$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following 
370 equation for dynamic power consumption:
371 \begin{multline}
372   \label{eq:pdnew}
373    \PdNew = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fnew = \alpha \cdot \CL \cdot \beta^2 \cdot \Fnew^3 \\
374    {} = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fmax \cdot S^{-3} = \PdOld \cdot S^{-3}
375 \end{multline}
376 where $\PdNew$  and $\PdOld$ are the  dynamic power consumed with the 
377 new frequency and the maximum frequency respectively.
378
379 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
380 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
381 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
382 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
383 and is given by the following equation:
384 \begin{equation}
385   \label{eq:Edyn}
386    \EdNew = \PdOld \cdot S^{-3} \cdot (\Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot \PdOld \cdot  \Tcp 
387 \end{equation}
388 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
389 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
390  the static power of a processor is considered as constant 
391 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
392 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
393 According to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
394 is the sum of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
395 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
396 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
397 \begin{equation}
398   \label{eq:Estatic}
399   \Es = \Ps \cdot (\Tcp \cdot S  + \Tcm)
400 \end{equation}
401
402 In  the  considered  heterogeneous  platform,  each  processor  $i$  might  have
403 different   dynamic  and  static   powers,  noted   as  $\Pd[i]$   and  $\Ps[i]$
404 respectively.  Therefore,  even if  the  distributed  message passing  iterative
405 application  is  load balanced,  the  computation time  of  each  CPU $i$  noted
406 $\Tcp[i]$ might  be different and  different frequency scaling factors  might be
407 computed in order to decrease  the overall energy consumption of the application
408 and reduce slack  times.  The communication time of a processor  $i$ is noted as
409 $\Tcm[i]$  and could  contain slack  times when  communicating  with slower
410 nodes,  see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore,  all nodes  do  not have  equal
411 communication  times. While  the dynamic  energy  is computed  according to  the
412 frequency  scaling   factor  and   the  dynamic  power   of  each  node   as  in
413 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed  as the sum of the execution time
414 of  one iteration multiplied  by the static  power of  each processor.   The overall
415 energy consumption of a message  passing distributed application executed over a
416 heterogeneous platform during one iteration  is the summation of all dynamic and
417 static energies for each processor.  It is computed as follows:
418 \begin{multline}
419   \label{eq:energy}
420  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot \Pd[i] \cdot  \Tcp[i])} + {} \\
421  \sum_{i=1}^{N} (\Ps[i] \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp[i] \cdot S_{i}) +
422   {\MinTcm))}
423  \end{multline}
424
425 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
426 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
427 application and thus, increase the static energy because the execution time is
428 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption for the iterative 
429 application can be measured by measuring  the energy consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) 
430 multiplied by the number of iterations of that application.
431
432
433 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
434 \label{sec.compet}
435
436 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
437 energy efficient  execution of an  application. Indeed, even though  the dynamic
438 power  is  reduced  while  scaling  down  the  frequency  of  a  processor,  its
439 computation power  is proportionally decreased. Hence, the  execution time might
440 be drastically  increased and  during that time,  dynamic and static  powers are
441 being consumed.  Therefore,  it might cancel any gains  achieved by scaling down
442 the frequency of all nodes to  the minimum and the overall energy consumption of
443 the application might not  be the optimal one.  It is not  trivial to select the
444 appropriate frequency  scaling factor for  each processor while  considering the
445 characteristics  of each  processor  (computation power,  range of  frequencies,
446 dynamic  and static  powers)  and the  task executed  (computation/communication
447 ratio). The  aim being  to reduce  the overall energy  consumption and  to avoid
448 increasing    significantly    the    execution    time.   In    our    previous
449 work~\cite{Our_first_paper},  we  proposed a  method  that  selects the  optimal
450 frequency scaling factor  for a homogeneous cluster executing  a message passing
451 iterative synchronous  application while giving  the best trade-off  between the
452 energy consumption and  the performance for such applications.   In this work we
453 are  interested  in heterogeneous  clusters  as  described  above.  Due  to  the
454 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should
455 be selected and  it must give the best trade-off  between energy consumption and
456 performance.
457
458 The  relation between  the  energy consumption  and  the execution  time for  an
459 application  is complex  and nonlinear,  Thus, unlike  the relation  between the
460 execution time and  the scaling factor, the relation between  the energy and the
461 frequency   scaling    factors   is   nonlinear,   for    more   details   refer
462 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.   Moreover,  these relations
463 are not  measured using the same  metric.  To solve this  problem, the execution
464 time is normalized by computing the  ratio between the new execution time (after
465 scaling  down the  frequencies of  some processors)  and the  initial  one (with
466 maximum frequency for all nodes) as follows:
467 \begin{multline}
468   \label{eq:pnorm}
469   \Pnorm = \frac{\Tnew}{\Told}\\
470        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp[i] \cdot S_{i}) +\MinTcm}
471            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(\Tcp[i]+\Tcm[i])}}
472 \end{multline}
473
474
475 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the consumed energy 
476 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
477 \begin{multline}
478   \label{eq:enorm}
479   \Enorm = \frac{\Ereduced}{\Eoriginal} \\
480   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot \Pd[i] \cdot  \Tcp[i])} +
481  \sum_{i=1}^{N} {(\Ps[i] \cdot \Tnew)}}{\sum_{i=1}^{N}{( \Pd[i] \cdot  \Tcp[i])} +
482  \sum_{i=1}^{N} {(\Ps[i] \cdot \Told)}}
483 \end{multline} 
484 Where $\Ereduced$ and $\Eoriginal$ are computed using (\ref{eq:energy}) and
485   $\Tnew$ and $\Told$ are computed as in (\ref{eq:pnorm}).
486
487 While the main 
488 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
489 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
490 to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the vector  of frequency
491 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
492 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
493 reduction with minimum execution time reduction.  
494   
495 This problem can be solved by making the optimization process for energy and 
496 execution time following the same direction.  Therefore, the equation of the 
497 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance equation, as follows:
498 \begin{multline}
499   \label{eq:pnorm_inv}
500   \Pnorm = \frac{\Told}{\Tnew}\\
501           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(\Tcp[i]+\Tcm[i])}}
502             { \max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp[i] \cdot S_{i}) + \MinTcm} 
503 \end{multline}
504
505
506 \begin{figure}[!t]
507   \centering
508   \subfloat[Homogeneous platform]{%
509     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
510   
511   
512   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
513     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
514   \label{fig:rel}
515   \caption{The energy and performance relation}
516 \end{figure}
517
518 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
519 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
520 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
521 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
522 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} or
523 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
524 \begin{equation}
525   \label{eq:max}
526   \MaxDist = 
527   \mathop{\max_{i=1,\dots F}}_{j=1,\dots,N}
528       (\overbrace{\Pnorm(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
529        \overbrace{\Enorm(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
530 \end{equation}
531 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each node. 
532 Then, the optimal set of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
533 The objective function can work with any energy model or any power values for each node 
534 (static and dynamic powers). However, the most important energy reduction gain can be achieved when 
535 the energy curve has a convex form as shown in~\cite{Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Hao_Learning.based.DVFS}.
536
537 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
538 \label{sec.optim}
539
540 \subsection{The algorithm details}
541 In this section, Algorithm~\ref{HSA} is presented. It selects the frequency
542 scaling factors vector that gives the best trade-off between minimizing the
543 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
544 synchronous iterative application executed on a heterogeneous platform. It works
545 online during the execution time of the iterative message passing program.  It
546 uses information gathered during the first iteration such as the computation
547 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
548 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
549 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
550 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
551 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
552 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
553 scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
554
555 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus
556 while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes
557 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
558 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
559 periods are called idle or slack times.  The algorithm takes into account this
560 problem and tries to reduce these slack times when selecting the frequency
561 scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors
562 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
563 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
564 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
565 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
566 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
567 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
568 \begin{equation}
569   \label{eq:Scp}
570  \Scp[i] = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\Tcp[i])}{\Tcp[i]}
571 \end{equation}
572 Using the initial  frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
573 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
574 and the computation scaling factor $\Scp[i]$ as follows:
575 \begin{equation}
576   \label{eq:Fint}
577  F_{i} = \frac{\Fmax[i]}{\Scp[i]},~{i=1,2,\dots,N}
578 \end{equation}
579 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
580 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
581 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing power in
582 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
583 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
584 frequencies are colored in blue in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
585 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
586 optimal vector of frequencies because selecting frequency scaling factors higher
587 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
588 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
589 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
590 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
591 frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher
592 bound until all nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall
593 energy consumption and performance, and select the optimal frequency scaling
594 factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node
595 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged,
596 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
597 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
598 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
599 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
600
601 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}  illustrate the normalized performance and
602 consumed  energy for  an application  running on  a homogeneous  platform  and a
603 heterogeneous platform respectively while increasing the scaling factors. It can
604 be noticed  that in a  homogeneous platform the  search for the  optimal scaling
605 factor should start  from the maximum frequency because  the performance and the
606 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand,
607 in the heterogeneous platform the  performance is maintained at the beginning of
608 the plot  even if the  frequencies of the  faster nodes decrease  until the
609 computing power of scaled down  nodes are lower than the slowest  node. In other
610 words, until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher
611 the difference between the faster nodes  and the slower nodes is, the bigger the
612 maximum distance  between the  energy curve and  the performance curve  is while
613  the scaling factors are varying which results in bigger energy savings.
614 \begin{figure}[!t]
615   \centering
616     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
617   \caption{Selecting the initial frequencies}
618   \label{fig:st_freq}
619 \end{figure}
620
621
622
623
624 \begin{algorithm}
625   \begin{algorithmic}[1]
626     % \footnotesize
627     \Require ~
628     \begin{description}
629     \item[{$\Tcp[i]$}] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
630     \item[{$\Tcm[i]$}] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
631     \item[{$\Fmax[i]$}] array of the maximum frequencies for all nodes.
632     \item[{$\Pd[i]$}] array of the dynamic powers for all nodes.
633     \item[{$\Ps[i]$}] array of the static powers for all nodes.
634     \item[{$\Fdiff[i]$}] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
635     \end{description}
636     \Ensure $\Sopt[1],\Sopt[2] \dots, \Sopt[N]$ is a vector of optimal scaling factors
637
638     \State $\Scp[i] \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\Tcp[i])}{\Tcp[i]} $
639     \State $F_{i} \gets  \frac{\Fmax[i]}{\Scp[i]},~{i=1,2,\cdots,N}$
640     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
641     \If{(not the first frequency)}
642           \State $F_i \gets F_i+\Fdiff[i],~i=1,\dots,N.$
643     \EndIf 
644     \State $\Told \gets \max_{i=1,\dots,N} (\Tcp[i]+\Tcm[i])$
645     % \State $\Eoriginal \gets \sum_{i=1}^{N}{( \Pd[i] \cdot  \Tcp[i])} +\sum_{i=1}^{N} {(\Ps[i] \cdot \Told)}$
646     \State $\Eoriginal \gets \sum_{i=1}^{N}{( \Pd[i] \cdot  \Tcp[i] + \Ps[i] \cdot \Told)}$
647     \State $\Sopt[i] \gets 1,~i=1,\dots,N. $
648     \State $\Dist \gets 0 $
649     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
650         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
651         \State $F_i \gets F_i - \Fdiff[i],~i=1,\dots,N.$
652         \State $S_i \gets \frac{\Fmax[i]}{F_i},~i=1,\dots,N.$
653         \EndIf
654        \State $\Tnew \gets \max_{i=1,\dots,N} (\Tcp[i] \cdot S_{i}) + \MinTcm $
655 %       \State $\Ereduced \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot \Pd[i] \cdot  \Tcp[i])} + \sum_{i=1}^{N} {(\Ps[i] \cdot \rlap{\Tnew)}} $
656        \State $\Ereduced \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot \Pd[i] \cdot  \Tcp[i] + \Ps[i] \cdot \rlap{\Tnew)}} $
657        \State $\Pnorm \gets \frac{\Told}{\Tnew}$
658        \State $\Enorm\gets \frac{\Ereduced}{\Eoriginal}$
659       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
660         \State $\Sopt[i] \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
661         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
662       \EndIf
663     \EndWhile
664     \State  Return $\Sopt[1],\Sopt[2],\dots,\Sopt[N]$
665   \end{algorithmic}
666   \caption{frequency scaling factors selection algorithm}
667   \label{HSA}
668 \end{algorithm}
669
670 \begin{algorithm}
671   \begin{algorithmic}[1]
672     % \footnotesize
673     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
674       \State Computations section.
675       \State Communications section.
676       \If {$(k=1)$}
677         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
678                communication from each node.
679         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
680         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
681                returned optimal scaling factors.
682         \State Set the new frequencies to nodes.
683       \EndIf
684     \EndFor
685   \end{algorithmic}
686   \caption{DVFS algorithm}
687   \label{dvfs}
688 \end{algorithm}
689
690 \subsection{The evaluation of the proposed algorithm}
691 \label{sec.verif.algo}
692 The precision  of the  proposed algorithm mainly  depends on the  execution time
693 prediction model  defined in  (\ref{eq:perf}) and the  energy model  computed by
694 (\ref{eq:energy}).   The energy  model is  also significantly  dependent  on the
695 execution  time model  because  the static  energy  is linearly  related to  the
696 execution time  and the dynamic energy  is related to the  computation time. So,
697 all the works presented  in this paper are based on the  execution time model. To
698 verify  this  model, the  predicted  execution time  was  compared  to the  real
699 execution          time           over          SimGrid/SMPI          simulator,
700 v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile},   for   all   the   NAS
701 parallel benchmarks NPB v3.3  \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}, running class B on
702 8 or  9 nodes. The comparison showed  that the proposed execution  time model is
703 very precise, the maximum  normalized difference between the predicted execution
704 time and the real execution time is equal to 0.03 for all the NAS benchmarks.
705
706 Since the proposed algorithm is not an exact method it does not test all the
707 possible solutions (vectors of scaling factors) in the search space. To prove
708 its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search
709 algorithm that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was
710 applied to different NAS benchmarks classes with different number of nodes. The
711 solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were
712 identical and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the
713 brute force algorithm. It has a small execution time: for a heterogeneous
714 cluster composed of four different types of nodes having the characteristics
715 presented in Table~\ref{table:platform}, it takes on average \np[ms]{0.04} for 4
716 nodes and \np[ms]{0.15} on average for 144 nodes to compute the best scaling
717 factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot N)$, where $F$
718 is the number of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The
719 algorithm needs from 12 to 20 iterations to select the best vector of frequency
720 scaling factors that gives the results of the next sections.
721
722 \section{Experimental results}
723 \label{sec.expe}
724 To  evaluate the  efficiency and  the  overall energy  consumption reduction  of
725 Algorithm~\ref{HSA}, it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3. The
726 experiments were executed on the  simulator SimGrid/SMPI which offers easy tools
727 to create a heterogeneous platform and run message passing applications over it.
728 The heterogeneous  platform that was used  in the experiments, had  one core per
729 node because just one process was executed per node.  The heterogeneous platform
730 was  composed  of  four  types  of  nodes. Each  type  of  nodes  had  different
731 characteristics  such as  the maximum  CPU  frequency, the  number of  available
732 frequencies  and the  computational power,  see Table~\ref{table:platform}. The
733 characteristics  of  these  different  types  of nodes  are  inspired  from  the
734 specifications of real  Intel processors.  The heterogeneous platform  had up to
735 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, for example if
736 a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the
737 constructors of  CPUs do not specify the  dynamic and the static  power of their
738 CPUs, for  each type of  node they were  chosen proportionally to  its computing
739 power  (FLOPS).  In  the initial  heterogeneous platform,  while  computing with
740 highest frequency,  each node  consumed an amount  of power proportional  to its
741 computing  power  (which  corresponds to  80\%  of  its  dynamic power  and  the
742 remaining  20\%  to  the  static   power),  the  same  assumption  was  made  in
743 \cite{Our_first_paper,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.    Finally,  These
744 nodes were connected via an Ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
745
746
747 \begin{table}[!t]
748   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
749   % title of Table
750   \centering
751   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
752     \hline
753     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
754     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
755                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
756     \hline
757     1             &40         & 2.50     & 1.20         & 0.100          & \np[W]{20}   &\np[W]{4} \\
758          
759     \hline
760     2             &50         & 2.66     & 1.60         & 0.133          & \np[W]{25}   &\np[W]{5} \\
761                   
762     \hline
763     3             &60         & 2.90     & 1.20         & 0.100          & \np[W]{30}   &\np[W]{6} \\
764                   
765     \hline
766     4             &70         & 3.40     & 1.60         & 0.133          & \np[W]{35}   &\np[W]{7} \\
767                   
768     \hline
769   \end{tabular}
770   \label{table:platform}
771 \end{table}
772
773  
774 %\subsection{Performance prediction verification}
775
776
777 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
778 \label{sec.res}
779
780
781 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG,
782 MG, FT, BT, LU and SP) and  the benchmarks were executed with the three classes:
783 A, B and C. However, due to the lack of space in this paper, only the results of
784 the  biggest class,  C, are  presented while  being run  on different  number of
785 nodes,  ranging from 4  to 128  or 144  nodes depending  on the  benchmark being
786 executed. Indeed, the benchmarks CG, MG, LU, EP and FT had to be executed on $1,
787 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes.   The other benchmarks such as BT and SP had to
788 be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
789
790  
791  
792 \begin{table}[!t]
793   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
794   % title of Table
795   \centering
796   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
797     \hline
798     \hspace{-2.2084pt}%
799     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
800     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
801     \hline
802     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
803     \hline 
804     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
805    \hline
806     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
807    \hline
808     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
809     \hline
810     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
811    \hline
812     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
813    \hline
814     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
815 \hline 
816   \end{tabular}
817   \label{table:res_4n}
818 % \end{table}
819
820 \medskip
821 % \begin{table}[!t]
822   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
823   % title of Table
824   \centering
825   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
826     \hline
827      \hspace{-2.2084pt}%
828     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
829     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
830     \hline
831     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
832     \hline 
833     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
834    \hline
835     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
836    \hline
837     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
838     \hline
839     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
840    \hline
841     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
842    \hline
843     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
844 \hline 
845   \end{tabular}
846   \label{table:res_8n}
847 % \end{table}
848
849 \medskip
850 % \begin{table}[!t]
851   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
852   % title of Table
853   \centering
854   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
855     \hline
856     \hspace{-2.2084pt}%
857     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
858     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
859     \hline
860     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
861     \hline 
862     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
863    \hline
864     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
865    \hline
866     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
867     \hline
868     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
869    \hline
870     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
871    \hline
872     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
873 \hline 
874   \end{tabular}
875   \label{table:res_16n}
876 % \end{table}
877
878 \medskip
879 % \begin{table}[!t]
880   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
881   % title of Table
882   \centering
883   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
884     \hline
885     \hspace{-2.2084pt}%
886     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
887     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
888     \hline
889     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
890     \hline 
891     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
892    \hline
893     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
894    \hline
895     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
896     \hline
897     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
898    \hline
899     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
900    \hline
901     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
902 \hline 
903   \end{tabular}
904   \label{table:res_32n}
905 % \end{table}
906
907 \medskip
908 % \begin{table}[!t]
909   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
910   % title of Table
911   \centering
912   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
913     \hline
914     \hspace{-2.2084pt}%
915     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
916     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
917     \hline
918     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
919     \hline 
920     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
921    \hline
922     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
923    \hline
924     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
925     \hline
926     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
927    \hline
928     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
929    \hline
930     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
931 \hline 
932   \end{tabular}
933   \label{table:res_64n}
934 % \end{table}
935
936 \medskip
937 % \begin{table}[!t]
938   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
939   % title of Table
940   \centering
941   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
942     \hline
943     \hspace{-2.2084pt}%
944     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
945     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
946     \hline
947     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
948     \hline 
949     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
950    \hline
951     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
952    \hline
953     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
954     \hline
955     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
956    \hline
957     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
958    \hline
959     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
960 \hline 
961   \end{tabular}
962   \label{table:res_128n}
963 \end{table}
964 The overall energy  consumption was computed for each  instance according to the
965 energy  consumption  model  (\ref{eq:energy}),  with and  without  applying  the
966 algorithm. The execution time was also measured for all these experiments. Then,
967 the energy saving and performance degradation percentages were computed for each
968 instance.    The   results   are   presented  in   Tables~\ref{table:res_4n},
969 \ref{table:res_8n},           \ref{table:res_16n},          \ref{table:res_32n},
970 \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}. All these results are the average
971 values  from many experiments  for energy  savings and  performance degradation.
972 The tables show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks
973 on  different  number  of  nodes.   The  experiments  show  that  the  algorithm
974 significantly reduces the energy consumption (up to 35\%) and tries to limit the
975 performance  degradation.  They  also  show that  the  energy saving  percentage
976 decreases when the  number of computing nodes increases.   This reduction is due
977 to the increase of the communication  times compared to the execution times when
978 the benchmarks are run over a high number of nodes.  Indeed, the benchmarks with
979 the  same  class,  C,  are  executed  on different  numbers  of  nodes,  so  the
980 computation required  for each iteration is  divided by the  number of computing
981 nodes.  On the other hand,  more communications are required when increasing the
982 number  of  nodes so  the  static energy  increases  linearly  according to  the
983 communication time and the dynamic power  is less relevant in the overall energy
984 consumption.   Therefore, reducing the  frequency with  Algorithm~\ref{HSA} is
985 less effective  in reducing the overall  energy savings. It can  also be noticed
986 that for the benchmarks EP and  SP that contain little or no communications, the
987 energy savings are  not significantly affected by the high  number of nodes.  No
988 experiments were conducted  using bigger classes than D,  because they require a
989 lot  of memory (more  than 64GB)  when being  executed by  the simulator  on one
990 machine.   The maximum  distance between  the  normalized energy  curve and  the
991 normalized performance for each instance is  also shown in the result tables. It
992 decrease in the same way as  the energy saving percentage.  The tables also show
993 that the performance degradation  percentage is not significantly increased when
994 the number  of computing  nodes is increased  because the computation  times are
995 small when compared to the communication times.
996
997
998  
999 \begin{figure}[!t]
1000   \centering
1001   \subfloat[Energy saving]{%
1002     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
1003   
1004   \subfloat[Performance degradation ]{%
1005     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
1006   \label{fig:avg}
1007   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with a different number of nodes}
1008 \end{figure}
1009
1010 Figures~\ref{fig:energy} and  \ref{fig:per_deg} present  the energy  saving and
1011 performance  degradation respectively for  all the  benchmarks according  to the
1012 number of used nodes. As shown  in the first plot, the energy saving percentages
1013 of the benchmarks MG,  LU, BT and FT decrease linearly when  the number of nodes
1014 increase. While  for the EP and  SP benchmarks, the energy  saving percentage is
1015 not affected by the increase of  the number of computing nodes, because in these
1016 benchmarks there are little or  no communications. Finally, the energy saving of
1017 the  GC benchmark  significantly  decrease  when the  number  of nodes  increase
1018 because this benchmark has more  communications than the others. The second plot
1019 shows that  the performance  degradation percentages of  most of  the benchmarks
1020 decrease when  they run on a  big number of  nodes because they spend  more time
1021 communicating than computing,  thus, scaling down the frequencies  of some nodes
1022 has less effect on the performance.
1023
1024
1025
1026
1027 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
1028 \label{sec.compare}
1029 The results  of the previous section  were obtained while  using processors that
1030 consume during  computation an overall power  which is 80\%  composed of dynamic
1031 power and of 20\% of static power. In this section, these ratios are changed and
1032 two new  power scenarios are  considered in order  to evaluate how  the proposed
1033 algorithm adapts itself  according to the static and  dynamic power values.  The
1034 two new power scenarios are the following:
1035
1036 \begin{itemize}
1037 \item 70\% of dynamic power  and 30\% of static power
1038 \item 90\% of dynamic power  and 10\% of static power
1039 \end{itemize}
1040
1041 The NAS parallel benchmarks were  executed again over processors that follow the
1042 new power scenarios.   The class C of each  benchmark was run over 8  or 9 nodes
1043 and   the    results   are   presented   in    Tables~\ref{table:res_s1}   and
1044 \ref{table:res_s2}. These tables  show that the energy saving  percentage of the
1045 70\%-30\% scenario is  smaller for all benchmarks compared  to the energy saving
1046 of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in  the latter more dynamic power is consumed
1047 when  nodes are running  on their  maximum frequencies,  thus, scaling  down the
1048 frequency of  the nodes results in  higher energy savings than  in the 70\%-30\%
1049 scenario. On the  other hand, the performance degradation  percentage is smaller
1050 in the 70\%-30\% scenario compared to the 90\%-10\% scenario. This is due to the
1051 higher  static  power percentage  in  the first  scenario  which  makes it  more
1052 relevant in the  overall consumed energy.  Indeed, the  static energy is related
1053 to the execution time and if  the performance is degraded the amount of consumed
1054 static  energy directly  increases.  Therefore,  the proposed  algorithm  does not
1055 really significantly  scale down much the  frequencies of the nodes  in order to
1056 limit the  increase of the  execution time and  thus limiting the effect  of the
1057 consumed static energy.
1058
1059 Both   new  power   scenarios   are  compared   to   the  old   one  in
1060 Figure~\ref{fig:sen_comp}. It  shows the average of the  performance degradation, the
1061 energy saving and the  distances for all NAS benchmarks of class  C running on 8
1062 or 9 nodes.   The comparison shows that the energy  saving ratio is proportional
1063 to the dynamic power ratio: it is increased when applying the 90\%-10\% scenario
1064 because at  maximum frequency  the dynamic  energy is the  most relevant  in the
1065 overall consumed  energy and can  be reduced by  lowering the frequency  of some
1066 processors. On  the other hand, the  energy saving decreases  when the 70\%-30\%
1067 scenario is  used because  the dynamic  energy is less  relevant in  the overall
1068 consumed energy and  lowering the frequency does not  return big energy savings.
1069 Moreover, the average  of the performance degradation is  decreased when using a
1070 higher  ratio   for  static  power  (e.g.   70\%-30\%   scenario  and  80\%-20\%
1071 scenario). Since  the proposed algorithm  optimizes the energy  consumption when
1072 using a  higher ratio for dynamic  power the algorithm  selects bigger frequency
1073 scaling  factors that result  in more  energy saving  but less  performance, for
1074 example see  Figure~\ref{fig:scales_comp}. The  opposite happens when  using a
1075 higher  ratio for  static power,  the algorithm  proportionally  selects smaller
1076 scaling  values which result  in less  energy saving  but also  less performance
1077 degradation.
1078
1079
1080  \begin{table}[!t]
1081   \caption{The results of the 70\%-30\% power scenario}
1082   % title of Table
1083   \centering
1084   \begin{tabular}{|*{6}{r|}}
1085     \hline
1086     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1087     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1088     \hline
1089     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
1090     \hline 
1091     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
1092    \hline
1093     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
1094    \hline
1095     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
1096     \hline
1097     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
1098    \hline
1099     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
1100    \hline
1101     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
1102 \hline 
1103   \end{tabular}
1104   \label{table:res_s1}
1105 \end{table}
1106
1107
1108
1109 \begin{table}[!t]
1110   \caption{The results of the 90\%-10\% power scenario}
1111   % title of Table
1112   \centering
1113   \begin{tabular}{|*{6}{r|}}
1114     \hline
1115     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1116     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1117     \hline
1118     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1119     \hline 
1120     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1121    \hline
1122     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1123    \hline
1124     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1125     \hline
1126     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1127    \hline
1128     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1129    \hline
1130     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1131 \hline 
1132   \end{tabular}
1133   \label{table:res_s2}
1134 \end{table}
1135
1136 \begin{table}[!t]
1137  \caption{Comparing the proposed algorithm}
1138  \centering
1139 \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
1140 \hline
1141 Program & \multicolumn{2}{c|}{Energy saving \%} & \multicolumn{2}{c|}{Perf.  degradation \%} & \multicolumn{2}{c|}{Distance} \\ \cline{2-7} 
1142 name    & EDP             & MaxDist          & EDP            & MaxDist           & EDP          & MaxDist        \\ \hline
1143 CG      & 27.58           & 31.25            & 5.82           & 7.12              & 21.76        & 24.13          \\ \hline
1144 MG      & 29.49           & 33.78            & 3.74           & 6.41              & 25.75        & 27.37          \\ \hline
1145 LU      & 19.55           & 28.33            & 0.0            & 0.01              & 19.55        & 28.22          \\ \hline
1146 EP      & 28.40           & 27.04            & 4.29           & 0.49              & 24.11        & 26.55          \\ \hline
1147 BT      & 27.68           & 32.32            & 6.45           & 7.87              & 21.23        & 24.43          \\ \hline
1148 SP      & 20.52           & 24.73            & 5.21           & 2.78              & 15.31         & 21.95         \\ \hline
1149 FT      & 27.03           & 31.02            & 2.75           & 2.54              & 24.28        & 28.48           \\ \hline
1150
1151 \end{tabular}
1152 \label{table:compare_EDP}
1153 \end{table}
1154
1155 \begin{figure}[!t]
1156   \centering
1157   \subfloat[Comparison  between the results on 8 nodes]{%
1158     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1159
1160   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1161     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1162   \label{fig:comp}
1163   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1164 \end{figure}  
1165
1166 \begin{figure}[!t]
1167   \centering
1168    \includegraphics[scale=0.5]{fig/compare_EDP.pdf}
1169   \caption{Trade-off comparison for NAS benchmarks class C}
1170   \label{fig:compare_EDP}
1171 \end{figure}
1172
1173
1174 \subsection{The comparison of the proposed scaling algorithm }
1175 \label{sec.compare_EDP}
1176 In this section, the scaling factors selection algorithm, called MaxDist, is
1177 compared to Spiliopoulos et al. algorithm
1178 \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, called EDP.  They developed a
1179 green governor that regularly applies an online frequency selecting algorithm to
1180 reduce the energy consumed by a multicore architecture without degrading much
1181 its performance. The algorithm selects the frequencies that minimize the energy
1182 and delay products, $\mathit{EDP}=\mathit{energy}\times \mathit{delay}$ using
1183 the predicted overall energy consumption and execution time delay for each
1184 frequency.  To fairly compare both algorithms, the same energy and execution
1185 time models, equations (\ref{eq:energy}) and (\ref{eq:fnew}), were used for both
1186 algorithms to predict the energy consumption and the execution times. Also
1187 Spiliopoulos et al. algorithm was adapted to start the search from the initial
1188 frequencies computed using the equation (\ref{eq:Fint}). The resulting algorithm
1189 is an exhaustive search algorithm that minimizes the EDP and has the initial
1190 frequencies values as an upper bound.
1191
1192 Both algorithms were applied to the parallel NAS benchmarks to compare their
1193 efficiency. Table~\ref{table:compare_EDP} presents the results of comparing the
1194 execution times and the energy consumption for both versions of the NAS
1195 benchmarks while running the class C of each benchmark over 8 or 9 heterogeneous
1196 nodes. The results show that our algorithm provides better energy savings than
1197 Spiliopoulos et al. algorithm, on average it results in 29.76\% energy saving
1198 while their algorithm returns just 25.75\%. The average of performance
1199 degradation percentage is approximately the same for both algorithms, about 4\%.
1200
1201
1202 For all benchmarks,  our algorithm outperforms Spiliopoulos et  al. algorithm in
1203 terms of  energy and  performance trade-off, see  Figure~\ref{fig:compare_EDP},
1204 because it maximizes the distance  between the energy saving and the performance
1205 degradation values while giving the same weight for both metrics.
1206
1207
1208 \section{Conclusion}
1209 \label{sec.concl} 
1210 In this paper, a new online frequency selecting algorithm has been presented. It
1211 selects the  best possible  vector of frequency  scaling factors that  gives the
1212 maximum  distance  (optimal  trade-off)  between  the predicted  energy  and  the
1213 predicted performance curves for a heterogeneous platform. This algorithm uses a
1214 new  energy  model  for  measuring  and predicting  the  energy  of  distributed
1215 iterative  applications running  over heterogeneous  platforms. To  evaluate the
1216 proposed method, it was applied on the NAS parallel benchmarks and executed over
1217 a heterogeneous  platform simulated by  SimGrid. The results of  the experiments
1218 showed that the algorithm reduces up to 35\% the energy consumption of a message
1219 passing iterative method while limiting  the degradation of the performance. The
1220 algorithm also selects different scaling  factors according to the percentage of
1221 the computing and communication times, and according to the values of the static
1222 and  dynamic  powers  of the  CPUs.   Finally,  the  algorithm was  compared  to
1223 Spiliopoulos et al.  algorithm and  the results showed that it outperforms their
1224 algorithm in terms of energy-time trade-off.
1225
1226 In the near future, this method  will be applied to real heterogeneous platforms
1227 to evaluate its  performance in a real study case. It  would also be interesting
1228 to evaluate its scalability over large scale heterogeneous platforms and measure
1229 the energy  consumption reduction it can  produce.  Afterward, we  would like to
1230 develop a similar method that  is adapted to asynchronous iterative applications
1231 where  each task  does not  wait for  other tasks  to finish  their  works.  The
1232 development of such a method might require a new energy model because the number
1233 of iterations is  not known in advance and depends on  the global convergence of
1234 the iterative system.
1235
1236 \section*{Acknowledgment}
1237
1238 This work has been partially supported by the Labex
1239 ACTION project (contract “ANR-11-LABX-01-01”). As a PhD student, 
1240 Mr. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
1241 Babylon (Iraq) for supporting his work. 
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