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