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[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
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54 \begin{document} 
55
56 \title{Energy Consumption Reduction in a 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 Modern processors continue increasing in performance, 
85 the CPUs constructors are competing to achieve maximum number 
86 of floating point operations per second (FLOPS). 
87 Thus, the energy consumption and the heat dissipation are increased 
88 drastically according to this increase. Because the number of FLOPS 
89 is more related to the power consumption of a CPU
90 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}.  
91 As an example of the most power hungry cluster, Tianhe-2 became in 
92 the top of the Top500 list in June 2014 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}. 
93 It has more than 3 millions of cores and consumed more than 17.8 megawatts. 
94 Moreover, according to the U.S. annual energy outlook 2014 
95 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the price of energy for 1 megawatt-hour 
96 was approximately equal to \$70. 
97 Therefore, we can consider the price of the energy consumption for the 
98 Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 millions  for 
99 one year. For this reason, the heterogeneous clusters must be offer more 
100 energy efficiency due to the increase in the energy cost and the environment 
101 influences. Therefore, a green computing clusters with maximum number of 
102 FLOPS per watt are required nowadays. For example, the GSIC center of Tokyo, 
103 became the top of the Green500 list in June 2014 \cite{Green500_List}. 
104 This heterogeneous platform has more than four thousand of  MFLOPS per watt. Dynamic 
105 voltage and frequency scaling (DVFS) is a process used widely to reduce the energy 
106 consumption of the processor. In heterogeneous clusters enabled DVFS, many researchers 
107 used DVFS  in a different ways. DVFS can be minimized the energy consumption 
108 but it leads to a disadvantage due to the increase in performance degradation. 
109 Therefore,  researchers used different optimization strategies to overcame 
110 this problem. The best tradeoff relation between the energy reduction and 
111 performance degradation ratio is became a key challenges in a heterogeneous 
112 platforms. In this paper we are propose a heterogeneous scaling algorithm  
113 that selects the optimal vector of the frequency scaling factors for distributed 
114 iterative application, producing maximum energy reduction against minimum 
115 performance degradation ratio simultaneously. The algorithm has very small 
116 overhead, works online and not needs for any training or profiling.  
117
118 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
119 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
120 execution time of MPI programs can be predicted.  It also presents an energy
121 model for heterogeneous platforms. Section~\ref{sec.compet} presents
122 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
123 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
124 Section~\ref{sec.optim} details the proposed heterogeneous scaling algorithm.
125 Section~\ref{sec.expe} presents the results of running  the NAS benchmarks on 
126 the proposed heterogeneous platform. It also shows the comparison of three 
127 different power scenarios and it verifies the precision of the proposed algorithm.  
128 Finally, we conclude in Section~\ref{sec.concl} with a summary and some future works.
129
130 \section{Related works}
131 \label{sec.relwork}
132 Energy reduction process for high performance clusters recently performed using 
133 dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) technique. DVFS is a technique enabled 
134 in modern processors to scaled down both of the voltage and the frequency of 
135 the CPU while it is in the computing mode to reduce the energy consumption. DVFS is 
136 also  allowed in the graphical processors GPUs, to achieved the same goal. Applying 
137 DVFS has a dramatical side effect if it is applied to minimum levels to gain more 
138 energy reduction, producing  a high percentage of performance degradations for the 
139 parallel applications.  Many researchers used different strategies to solve this 
140 nonlinear problem for example in
141 ~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Dhiman_Online.Learning.Power.Management}, their methods 
142 add big overheads to the algorithm to select the suitable frequency.  
143 In this paper we  present a method 
144 to find the optimal set of frequency scaling factors for heterogeneous cluster to 
145 simultaneously optimize both the energy and the execution time  without adding big 
146 overhead. This work is developed from our previous work of homogeneous cluster~\cite{Our_first_paper}. 
147 Therefore we are interested to present some works that concerned the heterogeneous clusters 
148 enabled DVFS. In general, the heterogeneous cluster works fall into two categorizes: 
149 GPUs-CPUs heterogeneous clusters and CPUs-CPUs heterogeneous clusters. In GPUs-CPUs 
150 heterogeneous clusters some parallel tasks executed on  GPUs and the others executed 
151 on  CPUs. As an example of this works, Luley et al.
152 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed  a heterogeneous 
153 cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal is to determined the 
154 energy efficiency as a function of performance per watt, the best tradeoff is done when the 
155 performance per watt function is maximized. In the work of Kia Ma et al.
156 ~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, They developed a scheduling 
157 algorithm to distributed different workloads proportional to the computing power of the node 
158 to be executed on a CPU or a GPU, emphasize all tasks must be finished in the same time. 
159 Recently, Rong et al.~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Their study explain that 
160 a heterogeneous clusters enabled DVFS using GPUs and CPUs gave better energy and performance 
161 efficiency than other clusters composed of only CPUs. 
162 The CPUs-CPUs heterogeneous clusters consist of number of computing nodes  all of the type CPU. 
163 Our work in this paper can be classified to this type of the clusters. 
164 As an example of these works see  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} work, 
165 They developed a policy to dynamically assigned the frequency to a heterogeneous cluster. 
166 The goal is to minimizing a fixed metric of $energy*delay^2$. Where our proposed method is automatically 
167 optimized  the relation between the energy and the delay of the iterative applications. 
168 Other works such as Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling}, 
169 their algorithm divided the executed tasks into two types: the critical and 
170 non critical tasks. The algorithm scaled down the frequency of the non critical tasks 
171 as function to the  amount of the slack and communication times that 
172 have with maximum of performance degradation percentage less than 10\%. In our method there is no 
173 fixed bounds for performance degradation percentage and the bound is dynamically computed 
174 according to the energy and the performance tradeoff relation of the executed application. 
175 There are some approaches used a heterogeneous cluster composed from two different types 
176 of Intel and AMD processors such as~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS} 
177 and \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, they predicated  both the energy 
178 and the performance for each frequency gear, then the algorithm selected the best gear that gave 
179 the best tradeoff. In contrast our algorithm works over a heterogeneous  platform composed of 
180 four different types of processors. Others approaches such as 
181 \cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
182 they are selected the best frequencies for a specified heterogeneous clusters offline using some 
183 heuristic methods. While our proposed algorithm works online during the execution time of 
184 iterative application. Greedy dynamic approach used by Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements},  
185 minimized the power consumption of a heterogeneous severs  with time/space complexity, this approach 
186 had considerable overhead. In our proposed scaling algorithm has very small overhead and 
187 it is works without any previous analysis for the application time complexity. The primary 
188 contributions of our paper are :
189 \begin{enumerate}
190 \item It is presents  a new online heterogeneous scaling algorithm which has very small 
191       overhead and not need for any training and profiling.
192 \item It is develops a new energy model for iterative distributed applications running over 
193        a heterogeneous clusters, taking into account the communication and slack times.
194 \item The proposed scaling algorithm predicts both the energy and the execution time 
195       of the iterative application.
196 \item It demonstrates a new optimization function which maximize the performance and 
197       minimize the energy consumption simultaneously.
198       
199 \end{enumerate}
200
201 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
202 \label{sec.exe}
203
204 % \JC{The whole subsection ``Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform'',
205 %   can be deleted if we need space, we can just say we are interested in this
206 %   paper in homogeneous clusters}
207
208 \subsection{The execution time of message passing distributed 
209                 iterative applications on a heterogeneous platform}
210
211 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
212 passing distributed iterative synchronous applications running over
213 heterogeneous platforms. We define a heterogeneous platform as a collection of
214 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
215 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
216 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
217 have the same network bandwidth and latency.
218
219 The overall execution time  of a distributed iterative synchronous application 
220 over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and 
221 the communication time for every iteration on a node. However, due to the 
222 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur 
223 when fast nodes have to  wait, during synchronous communications, for  the slower 
224 nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
225 Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
226 task which have the highest computation time and no slack time.
227   
228  \begin{figure}[t]
229   \centering
230     \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
231   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
232   \label{fig:heter}
233 \end{figure}
234
235 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
236 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
237 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
238 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
239 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
240 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
241 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
242 as in EQ (\ref{eq:s}).
243 \begin{equation}
244   \label{eq:s}
245  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
246 \end{equation}
247  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
248  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
249  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
250  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
251  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
252  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
253  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
254  The communication time for a task is the summation of  periods of 
255  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
256  till the message is synchronously sent or received.
257
258 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
259 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
260 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
261 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
262 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
263 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
264 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
265 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
266 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
267 vector of scaling factors can be predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
268 \begin{equation}
269   \label{eq:perf}
270  \textit  T_\textit{new} = 
271  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm
272 \end{equation}
273 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first 
274 iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from 
275 the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
276 with scaling factor from each node  added to the communication time of the 
277 slowest node, it means  only the  communication time without any slack time. 
278 Therefore, we can consider the execution time of the iterative application is 
279 equal to the execution time of one iteration as in EQ(\ref{eq:perf}) multiplied 
280 by the number of iterations of that application.
281
282 This prediction model is developed from our model for predicting the execution time of 
283 message passing distributed applications for homogeneous architectures~\cite{Our_first_paper}. 
284 The execution time prediction model is used in our method for optimizing both 
285 energy consumption and performance of iterative methods, which is presented in the 
286 following sections.
287
288
289 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
290 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
291 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
292 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
293 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
294 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
295 computation times.  The dynamic power $Pd$ is related to the switching
296 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
297 operational frequency $F$, as shown in EQ(\ref{eq:pd}).
298 \begin{equation}
299   \label{eq:pd}
300   Pd = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
301 \end{equation}
302 The static power $Ps$ captures the leakage power as follows:
303 \begin{equation}
304   \label{eq:ps}
305    Ps  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
306 \end{equation}
307 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
308 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
309 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
310 to execute a given program can be computed as:
311 \begin{equation}
312   \label{eq:eind}
313    E_\textit{ind} =  Pd \cdot Tcp + Ps \cdot T
314 \end{equation}
315 where $T$ is the execution time of the program, $Tcp$ is the computation
316 time and $Tcp \leq T$.  $Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
317 communication and no slack time.
318
319 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
320 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
321 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
322 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
323 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
324 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ(\ref{eq:s}).
325 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
326 system's kernel to lower a core's frequency. we can calculate the new frequency 
327 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) as follow:
328 \begin{equation}
329   \label{eq:fnew}
330    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
331 \end{equation}
332 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following 
333 equation for dynamic power consumption:
334 \begin{multline}
335   \label{eq:pdnew}
336    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
337    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
338 \end{multline}
339 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
340 new frequency and the maximum frequency respectively.
341
342 According to EQ(\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
343 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
344 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
345 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
346 and is given by the following equation:
347 \begin{equation}
348   \label{eq:Edyn}
349    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
350 \end{equation}
351 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
352 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
353 we assume that the static power of a processor is constant 
354 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
355 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
356 According to the execution time model in EQ(\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
357 is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
358 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
359 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
360 \begin{equation}
361   \label{eq:Estatic}
362  E_\textit{s} = Ps \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
363 \end{equation}
364
365 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and 
366 static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed 
367 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ 
368 noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed 
369 in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. 
370 The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times 
371 if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do 
372 not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency 
373 scaling factor and the dynamic power of each node as in EQ(\ref{eq:Edyn}), the static energy is 
374 computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. 
375 The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a 
376 heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies 
377 for each  processor.  It is computed as follows:
378 \begin{multline}
379   \label{eq:energy}
380  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
381  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
382   {MinTcm))}
383  \end{multline}
384
385 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
386 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
387 application and thus, increase the static energy because the execution time is
388 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. We can measure the overall energy consumption for the iterative 
389 application by measuring  the energy consumption for one iteration as in EQ(\ref{eq:energy}) 
390 multiplied by the number of iterations of that application.
391
392
393 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
394 \label{sec.compet}
395
396 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy 
397 efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced 
398 while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally 
399 decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic 
400 and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by 
401 scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption 
402 of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate 
403 frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor 
404 (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed 
405 (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not 
406 significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{Our_first_paper}, we  proposed a method 
407 that selects the optimal frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message 
408 passing iterative synchronous application while giving the best trade-off  between the energy 
409 consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
410 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not 
411 one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off 
412 between energy consumption and performance. 
413
414 The relation between the energy consumption and the execution time for an application is 
415 complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
416 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
417 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  
418 Moreover, they are not measured using the same metric.  To solve this problem, we normalize the
419 execution time by computing the ratio between the new execution time (after 
420 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum 
421 frequency for all nodes,) as follows:
422 \begin{multline}
423   \label{eq:pnorm}
424   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
425        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
426            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
427 \end{multline}
428
429
430 In the same way, we normalize the energy by computing the ratio between the consumed energy 
431 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
432 \begin{multline}
433   \label{eq:enorm}
434   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
435   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
436  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
437  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
438 \end{multline} 
439 Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}).
440
441  While the main 
442 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
443 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
444 to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the vector  of frequency
445 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
446 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
447 reduction with minimum execution time reduction.  
448
449  
450   
451 Our solution for this problem is to make the optimization process for energy and 
452 execution time follow the same direction.  Therefore, we inverse the equation of the 
453 normalized execution time which gives the normalized performance equation, as follows:
454 \begin{multline}
455   \label{eq:pnorm_inv}
456   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
457           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
458             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
459 \end{multline}
460
461
462 \begin{figure}
463   \centering
464   \subfloat[Homogeneous platform]{%
465     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
466   \qquad%
467   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
468     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
469   \label{fig:rel}
470   \caption{The energy and performance relation}
471 \end{figure}
472
473 Then, we can model our objective function as finding the maximum distance
474 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the  performance
475 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
476 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
477 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}). Then our objective
478 function has the following form:
479 \begin{equation}
480   \label{eq:max}
481   Max Dist = 
482   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
483       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
484        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
485 \end{equation}
486 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
487 Then we can select the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  
488 Our objective function can work with any energy model or any power values for each node 
489 (static and dynamic powers). However, the most energy reduction gain can be achieved when 
490 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}.
491
492 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
493 \label{sec.optim}
494
495 In this section we  propose algorithm~(\ref{HSA}) which selects the frequency scaling factors 
496 vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing 
497 the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous 
498 platform. It works online during the execution time of the iterative message passing program.  
499 It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the 
500 communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first 
501 iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective 
502 function EQ(\ref{eq:max}). The program apply DVFS operations to change the frequencies of the CPUs 
503 according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution 
504 of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called 
505 in the iterative MPI program.
506
507 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message 
508 passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their 
509 computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). 
510 These periods are called idle or slack times. 
511 Our algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the 
512 frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase 
513 the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of 
514 fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely 
515 proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency 
516 scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the 
517 computation time of the node $i$ as follows:
518 \begin{equation}
519   \label{eq:Scp}
520  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
521 \end{equation}
522 Using the initial  frequency scaling factors computed in EQ(\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
523 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
524 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
525 \begin{equation}
526   \label{eq:Fint}
527  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
528 \end{equation}
529 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed 
530 initial frequency is replaced by the nearest available frequency. In  figure (\ref{fig:st_freq}), 
531 the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster 
532 nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new 
533 frequencies are colored in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered 
534 as a higher bound for the search space of the optimal vector of frequencies because selecting frequency 
535 scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and 
536 it will increase its overall energy consumption. Therefore the algorithm that selects the frequency 
537 scaling factors starts the search method from these initial frequencies and takes a downward search direction 
538 toward lower frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all 
539 nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select 
540 the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node 
541 according to EQ(\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  
542 all other nodes by one gear.
543 The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. 
544 The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective 
545 function EQ(\ref{eq:max}).
546
547 The plots~(\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}) illustrate the normalized performance and consumed energy for an 
548 application running on a homogeneous platform and a heterogeneous platform respectively while increasing the 
549 scaling factors. It can be noticed that in a homogeneous platform the search for the optimal scaling factor 
550 should be started from the maximum frequency because the performance and the consumed energy is decreased since  
551 the beginning of the plot. On the other hand, in  the heterogeneous platform the performance is  maintained at 
552 the beginning of the plot even if the frequencies of the faster nodes are decreased until the scaled down nodes 
553 have computing powers lower than the slowest node. In other words, until they reach the higher bound. It can 
554 also be noticed that the higher the difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger 
555 the maximum distance between the energy curve and the performance curve is while varying the scaling factors 
556 which results in bigger energy savings. 
557 \begin{figure}[t]
558   \centering
559     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
560   \caption{Selecting the initial frequencies}
561   \label{fig:st_freq}
562 \end{figure}
563
564
565
566
567 \begin{algorithm}
568   \begin{algorithmic}[1]
569     % \footnotesize
570     \Require ~
571     \begin{description}
572     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
573     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
574     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
575     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
576     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
577     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
578     \end{description}
579     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
580
581     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
582     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
583     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
584     \If{(not the first frequency)}
585           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
586     \EndIf 
587     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
588     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
589     \State $Dist \gets 0$
590     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
591     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
592         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
593         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
594         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
595         \EndIf
596        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
597        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
598                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
599        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
600        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
601       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
602         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
603         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
604       \EndIf
605     \EndWhile
606     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
607   \end{algorithmic}
608   \caption{Heterogeneous scaling algorithm}
609   \label{HSA}
610 \end{algorithm}
611
612 \begin{algorithm}
613   \begin{algorithmic}[1]
614     % \footnotesize
615     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
616       \State Computations section.
617       \State Communications section.
618       \If {$(k=1)$}
619         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
620                communication from each node.
621         \State Call algorithm from Figure~\ref{HSA} with these times.
622         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
623                returned optimal scaling factors.
624         \State Set the new frequencies to nodes.
625       \EndIf
626     \EndFor
627   \end{algorithmic}
628   \caption{DVFS algorithm}
629   \label{dvfs}
630 \end{algorithm}
631
632 \section{Experimental results}
633 \label{sec.expe}
634 To evaluate the efficiency and the overall energy consumption reduction of algorithm~(\ref{HSA}), 
635 it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3  \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}. The experiments were executed 
636 on the simulator SimGrid/SMPI v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile} which offers 
637 easy tools to create a heterogeneous platform and run message passing applications over it. The 
638 heterogeneous platform that was used in the experiments, had one core per node because just one 
639 process was executed per node. The heterogeneous platform  was composed of four types of nodes. 
640 Each type of nodes had different characteristics such as the maximum CPU frequency, the number of
641 available frequencies and the computational power, see table (\ref{table:platform}). The characteristics 
642 of these different types of  nodes are inspired   from the specifications of real Intel processors. 
643 The heterogeneous platform had up to 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, 
644 for example if  a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the constructors 
645 of CPUs do not specify the dynamic and the static power of their CPUs, for each type of node they were 
646 chosen proportionally to its computing power (FLOPS).  In the initial heterogeneous platform,  while computing 
647 with highest frequency, each node  consumed power proportional to its computing power which 80\% of it was 
648 dynamic power and the rest was 20\% for the static power, the same assumption  was made in \cite{Our_first_paper,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. 
649 Finally, These nodes were connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
650
651
652 \begin{table}[htb]
653   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
654   % title of Table
655   \centering
656   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
657     \hline
658     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
659     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
660                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
661     \hline
662     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~w         &4~w    \\
663                   &           &          &              &                &              &  \\
664     \hline
665     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~w         &5~w    \\
666                   &           &          &              &                &              &  \\
667     \hline
668     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~w         &6~w    \\
669                   &           &          &              &                &              &  \\
670     \hline
671     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~w         &7~w    \\
672                   &           &          &              &                &              &  \\
673     \hline
674   \end{tabular}
675   \label{table:platform}
676 \end{table}
677
678  
679 %\subsection{Performance prediction verification}
680
681
682 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
683 \label{sec.res}
684
685
686 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) 
687 and the benchmarks were executed with the three classes: A,B and C. However, due to the lack of space in 
688 this paper, only the results of the biggest class, C, are presented while being run on different number 
689 of nodes, ranging  from 4 to 128 or 144 nodes depending on the benchmark being executed. Indeed, the 
690 benchmarks CG, MG, LU, EP and FT should be executed on $1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes. 
691 The other benchmarks such as BT and SP should be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
692
693  
694  
695 \begin{table}[htb]
696   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
697   % title of Table
698   \centering
699   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
700     \hline
701     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
702     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
703     \hline
704     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
705     \hline 
706     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
707    \hline
708     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
709    \hline
710     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
711     \hline
712     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
713    \hline
714     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
715    \hline
716     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
717 \hline 
718   \end{tabular}
719   \label{table:res_4n}
720 \end{table}
721
722 \begin{table}[htb]
723   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
724   % title of Table
725   \centering
726   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
727     \hline
728     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
729     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
730     \hline
731     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
732     \hline 
733     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
734    \hline
735     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
736    \hline
737     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
738     \hline
739     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
740    \hline
741     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
742    \hline
743     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
744 \hline 
745   \end{tabular}
746   \label{table:res_8n}
747 \end{table}
748
749 \begin{table}[htb]
750   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
751   % title of Table
752   \centering
753   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
754     \hline
755     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
756     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
757     \hline
758     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
759     \hline 
760     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
761    \hline
762     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
763    \hline
764     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
765     \hline
766     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
767    \hline
768     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
769    \hline
770     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
771 \hline 
772   \end{tabular}
773   \label{table:res_16n}
774 \end{table}
775
776 \begin{table}[htb]
777   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
778   % title of Table
779   \centering
780   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
781     \hline
782     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
783     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
784     \hline
785     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
786     \hline 
787     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
788    \hline
789     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
790    \hline
791     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
792     \hline
793     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
794    \hline
795     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
796    \hline
797     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
798 \hline 
799   \end{tabular}
800   \label{table:res_32n}
801 \end{table}
802
803 \begin{table}[htb]
804   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
805   % title of Table
806   \centering
807   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
808     \hline
809     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
810     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
811     \hline
812     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
813     \hline 
814     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
815    \hline
816     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
817    \hline
818     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
819     \hline
820     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
821    \hline
822     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
823    \hline
824     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
825 \hline 
826   \end{tabular}
827   \label{table:res_64n}
828 \end{table}
829
830
831 \begin{table}[htb]
832   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
833   % title of Table
834   \centering
835   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
836     \hline
837     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
838     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
839     \hline
840     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
841     \hline 
842     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
843    \hline
844     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
845    \hline
846     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
847     \hline
848     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
849    \hline
850     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
851    \hline
852     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
853 \hline 
854   \end{tabular}
855   \label{table:res_128n}
856 \end{table}
857 The overall energy consumption was computed for each instance according to the energy 
858 consumption  model EQ(\ref{eq:energy}), with and without applying the algorithm. The 
859 execution time was also measured for all these experiments. Then, the energy saving 
860 and performance degradation percentages were computed for each instance.  
861 The results are presented in tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, 
862 \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). All these results are the 
863 average values from many experiments for  energy savings and performance degradation.
864
865 The tables  show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks on different 
866 number of nodes. The experiments show that the algorithm reduce significantly the energy 
867 consumption (up to 35\%) and tries to limit the performance degradation. They also show that 
868 the  energy saving percentage is decreased  when the number of the computing nodes is increased. 
869 This reduction is due to the increase of the communication times compared to the execution times 
870 when the benchmarks are run over a high number of nodes. Indeed, the benchmarks with the same class, C, 
871 are executed on different number of nodes, so the computation required for each iteration is divided 
872 by the number of computing nodes.   On the other hand, more communications are required when increasing 
873 the number of nodes so the static energy is increased linearly according to the communication time and 
874 the dynamic power is less relevant in the overall energy consumption. Therefore, reducing the frequency 
875 with algorithm~(\ref{HSA}) have less effect in reducing the overall energy savings. It can also be 
876 noticed that for the benchmarks EP and SP that contain little or no communications,  the energy savings 
877 are not significantly affected with the high number of nodes. No experiments were conducted using bigger 
878 classes such as D, because they require a lot of memory(more than 64GB) when being executed by the simulator 
879 on one machine. The maximum distance between the normalized energy curve and the normalized performance 
880 for each instance is also shown in the result tables. It is decreased in the same way as the energy 
881 saving percentage. The tables also show that the performance degradation percentage is not significantly 
882 increased when the number of computing nodes is increased because the computation times are small when 
883 compared to the communication times.  
884
885
886  
887 \begin{figure}
888   \centering
889   \subfloat[Energy saving]{%
890     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
891   \quad%
892   \subfloat[Performance degradation ]{%
893     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
894   \label{fig:avg}
895   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
896 \end{figure}
897
898 Plots (\ref{fig:energy} and \ref{fig:per_deg}) present the energy saving and performance degradation 
899 respectively for all the benchmarks according to the number of used nodes. As shown in the first plot, 
900 the energy saving percentages of the benchmarks MG, LU, BT and FT are decreased linearly  when the the 
901 number of nodes is increased. While for the  EP and SP benchmarks, the energy saving percentage is not 
902 affected by the increase of the number of computing nodes, because in these benchmarks there are little or 
903 no communications. Finally, the energy saving of the GC benchmark  is significantly decreased when the number 
904 of nodes is increased because  this benchmark has more communications than the others. The second plot 
905 shows that the performance degradation percentages of most of the benchmarks are decreased when they 
906 run on a big number of nodes because they spend more time communicating than computing, thus, scaling 
907 down the frequencies of some nodes have less effect on the performance. 
908
909
910
911
912 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
913
914 The results of the previous section were obtained while using processors that consume during computation 
915 an overall power which is 80\% composed of  dynamic power and 20\% of static power. In this section, 
916 these ratios are changed and two new power scenarios are considered in order to evaluate how the proposed  
917 algorithm adapts itself according to the static and dynamic power values.  The two new power scenarios 
918 are the following: 
919
920 \begin{itemize}
921 \item 70\% dynamic power  and 30\% static power
922 \item 90\% dynamic power  and 10\% static power
923 \end{itemize}
924
925 The NAS parallel benchmarks were executed again over processors that follow the the new power scenarios. 
926 The class C of each benchmark was run over 8 or 9 nodes and the results are presented in  tables 
927 (\ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}). These tables show that the energy saving percentage of the 70\%-30\% 
928 scenario is less for all benchmarks compared to the energy saving of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in the latter 
929 more dynamic power is consumed when nodes are running on their maximum frequencies, thus, scaling down the frequency 
930 of the nodes results in higher energy savings than in the 70\%-30\% scenario. On the other hand,  the performance 
931 degradation percentage is less in the 70\%-30\% scenario  compared to the 90\%-10\%  scenario. This is due to the 
932 higher static power percentage in the first scenario which makes it more relevant in the overall consumed energy. 
933 Indeed, the static energy is related to the execution time and if the performance is  degraded the total consumed 
934 static energy is directly increased. Therefore, the proposed algorithm do not scales down much the frequencies of the 
935 nodes  in order to limit the increase of the execution time and thus limiting the effect of the consumed static energy .
936
937 The two new power scenarios are compared to the old one in figure (\ref{fig:sen_comp}). It shows the average of 
938 the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks of class C running on 8 or 9 nodes. 
939 The comparison shows that  the energy saving ratio is proportional to the dynamic power ratio: it is increased 
940 when applying the  90\%-10\% scenario because at maximum frequency the dynamic  energy is the the most relevant 
941 in the overall consumed energy and can be reduced by lowering the frequency of some processors. On the other hand, 
942 the energy saving is decreased when  the 70\%-30\% scenario is used because the dynamic  energy is less relevant in 
943 the overall consumed energy and lowering the frequency do not returns big energy savings.
944 Moreover, the average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power 
945 (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). Since the proposed algorithm optimizes the energy consumption 
946 when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selects bigger frequency scaling factors that result in 
947 more energy saving but less performance, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The opposite happens 
948 when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects  smaller scaling values which 
949 results in less energy saving but less performance degradation. 
950
951
952  \begin{table}[htb]
953   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
954   % title of Table
955   \centering
956   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
957     \hline
958     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
959     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
960     \hline
961     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
962     \hline 
963     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
964    \hline
965     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
966    \hline
967     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
968     \hline
969     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
970    \hline
971     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
972    \hline
973     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
974 \hline 
975   \end{tabular}
976   \label{table:res_s1}
977 \end{table}
978
979
980
981 \begin{table}[htb]
982   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
983   % title of Table
984   \centering
985   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
986     \hline
987     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
988     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
989     \hline
990     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
991     \hline 
992     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
993    \hline
994     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
995    \hline
996     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
997     \hline
998     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
999    \hline
1000     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1001    \hline
1002     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1003 \hline 
1004   \end{tabular}
1005   \label{table:res_s2}
1006 \end{table}
1007
1008
1009 \begin{figure}
1010   \centering
1011   \subfloat[Comparison the average of the results on 8 nodes]{%
1012     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1013   \quad%
1014   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1015     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1016   \label{fig:comp}
1017   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1018 \end{figure}  
1019
1020
1021
1022 \subsection{The verifications of the proposed method}
1023 \label{sec.verif}
1024 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
1025 EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model computed by EQ(\ref{eq:energy}). 
1026 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
1027 linearly related the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
1028 the work presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
1029 execution time was compared to  the real execution time over Simgrid for all  the NAS parallel benchmarks 
1030 running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
1031 the maximum normalized difference between  the predicted execution time  and the real execution time is equal 
1032 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
1033
1034 Since  the proposed algorithm is not an exact method and do not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
1035 in the search space and to prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
1036 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
1037 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
1038 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
1039 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
1040 table~(\ref{table:platform}), it takes on average \np[ms]{0.04}  for 4 nodes and \np[ms]{0.15} on average for 144 nodes 
1041 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
1042 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
1043 vector of frequency scaling factors that gives the results of the section (\ref{sec.res}).
1044
1045 \section{Conclusion}
1046 \label{sec.concl}
1047
1048
1049 \section*{Acknowledgment}
1050
1051
1052 % trigger a \newpage just before the given reference
1053 % number - used to balance the columns on the last page
1054 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1055 % the document is modified later
1056 %\IEEEtriggeratref{15}
1057
1058 \bibliographystyle{IEEEtran}
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1060 \end{document}
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