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53 \begin{document} 
54
55 \title{Energy Consumption Reduction in heterogeneous architecture using DVFS}
56
57 \author{%
58   \IEEEauthorblockN{%
59     Jean-Claude Charr,
60     Raphaël Couturier,
61     Ahmed Fanfakh and
62     Arnaud Giersch
63   }
64   \IEEEauthorblockA{%
65     FEMTO-ST Institute\\
66     University of Franche-Comté\\
67     IUT de Belfort-Montbéliard,
68     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
69     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
70     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
71     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
72    }
73   }
74
75 \maketitle
76
77 \begin{abstract}
78   
79 \end{abstract}
80
81 \section{Introduction}
82 \label{sec.intro}
83
84
85 \section{Related works}
86 \label{sec.relwork}
87
88
89
90
91 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
92 \label{sec.exe}
93
94 % \JC{The whole subsection ``Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform'',
95 %   can be deleted if we need space, we can just say we are interested in this
96 %   paper in homogeneous clusters}
97
98 \subsection{The execution time of message passing distributed iterative applications on a heterogeneous platform}
99
100 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
101 passing distributed iterative synchronous applications running over
102 heterogeneous platforms. We define a heterogeneous platform as a collection of
103 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
104 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
105 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
106 have the same network bandwidth and latency.
107
108
109 \begin{figure}[t]
110   \centering
111     \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
112   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
113   \label{fig:heter}
114 \end{figure}
115
116  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
117  wait, during synchronous communications, for  the slower nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
118  Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
119  task which have the highest computation time and no slack time.
120  
121 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in modern processors, that reduces the energy consumption
122 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}).
123 \begin{equation}
124   \label{eq:s}
125  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
126 \end{equation}
127  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional to the frequency scaling factor $S$. 
128  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.
129
130 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
131 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
132 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
133 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
134 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
135 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
136 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
137 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
138 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
139 vector of scaling factors can be predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
140 \begin{equation}
141   \label{eq:perf}
142  \textit  T_\textit{new} = 
143  \max_{i=1,2,\dots,N} (TcpOld_{i} \cdot S_{i}) +  MinTcm
144 \end{equation}
145 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
146  with scaling factor from each node  added to the communication time of the slowest node, it means  only the
147  communication time without any slack time. Therefore, we can consider the execution time of the iterative application is the execution time of one iteration as in EQ(\ref{eq:perf}) multiply by the number of iterations of the application.
148
149 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.
150
151
152 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
153
154 Many researchers~\cite{9,3,15,26} divide the power consumed by a processor into
155 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
156 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
157 computation times.  The dynamic power $P_{d}$ is related to the switching
158 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
159 operational frequency $F$, as shown in EQ(\ref{eq:pd}).
160 \begin{equation}
161   \label{eq:pd}
162   P_\textit{d} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
163 \end{equation}
164 The static power $P_{s}$ captures the leakage power as follows:
165 \begin{equation}
166   \label{eq:ps}
167    P_\textit{s}  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
168 \end{equation}
169 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
170 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
171 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
172 to execute a given program can be computed as:
173 \begin{equation}
174   \label{eq:eind}
175    E_\textit{ind} =  P_\textit{d} \cdot Tcp + P_\textit{s} \cdot T
176 \end{equation}
177 where $T$ is the execution time of the program, $T_{cp}$ is the computation
178 time and $T_{cp} \leq T$.  $T_{cp}$ may be equal to $T$ if there is no
179 communication and no slack time.
180
181 The main objective of DVFS operation is to
182 reduce the overall energy consumption~\cite{37}.  The operational frequency $F$
183 depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
184 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
185 voltage with respect to various frequency values in~\cite{3}.  The reduction
186 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
187 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
188 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
189 system's kernel to lower a core's frequency. we can calculate the new frequency 
190 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) as follow:
191 \begin{equation}
192   \label{eq:fnew}
193    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
194 \end{equation}
195 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following equation for dynamic 
196 power consumption:
197 \begin{multline}
198   \label{eq:pdnew}
199    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
200    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
201 \end{multline}
202 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the new frequency and the maximum frequency respectively.
203
204 According to EQ(\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
205 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:
206 \begin{equation}
207   \label{eq:Edyn}
208    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
209 \end{equation}
210 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. 
211 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}), 
212 the execution time of the program is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
213 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. The static energy 
214 of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
215 \begin{equation}
216   \label{eq:Estatic}
217  E_\textit{s} = P_\textit{s} \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
218 \end{equation}
219
220 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency scaling factor and the dynamic power of each node as in EQ(\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies for each  processor.  It is computed as follows:
221 \begin{multline}
222   \label{eq:energy}
223  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
224  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
225   {MinTcm))}
226  \end{multline}
227
228 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
229 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
230 application and thus, increase the static energy because the execution time is
231 increased~\cite{36}. We can measure the overall energy consumption for the iterative 
232 application by measuring  the energy consumption from one iteration as in EQ(\ref{eq:energy}) multiply by 
233 the number of iterations of the iterative application.
234
235
236 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
237 \label{sec.compet}
238
239 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{45}, we  proposed a method that selects the optimal 
240 frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message passing iterative synchronous application while giving the best trade-off
241  between the energy consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
242 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off between energy consumption and performance. 
243
244 The relation between the energy consumption and the execution
245 time for an application is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
246 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
247 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{17}.  Moreover, they are
248 not measured using the same metric.  To solve this problem, we normalize the
249 execution time by computing the ratio between the new execution time (after scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum frequency for all nodes,) as follows:
250 \begin{multline}
251   \label{eq:pnorm}
252   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
253        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
254            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
255 \end{multline}
256
257
258 In the same way, we normalize the energy by computing the ratio between the consumed energy while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
259 \begin{multline}
260   \label{eq:enorm}
261   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
262   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
263  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
264  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
265 \end{multline} 
266 Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}).
267
268  While the main 
269 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized energy and execution time curves are not in the same direction. According 
270 to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the vector  of frequency
271 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
272 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
273 reduction with minimum execution time reduction.  
274
275 Many researchers used different strategies to solve this nonlinear problem for example
276 in~\cite{19,42}, their methods add big overheads to the algorithm to select the
277 suitable frequency.  In this paper we  present a method to find the optimal
278 set of frequency scaling factors to simultaneously optimize both energy and execution time
279  without adding a big overhead. \textbf{put the last two phrases in the related work section}
280  
281   
282 Our solution for this problem is to make the optimization process for energy and execution time follow the same
283 direction.  Therefore, we inverse the equation of the normalized execution time which gives 
284 the normalized performance equation, as follows:
285 \begin{multline}
286   \label{eq:pnorm_inv}
287   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
288           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
289             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
290 \end{multline}
291
292
293 \begin{figure}
294   \centering
295   \subfloat[Homogeneous platform]{%
296     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
297   \qquad%
298   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
299     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
300   \label{fig:rel}
301   \caption{The energy and performance relation}
302 \end{figure}
303
304 Then, we can model our objective function as finding the maximum distance
305 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the  performance
306 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
307 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
308 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}) .  Then our objective
309 function has the following form:
310 \begin{equation}
311   \label{eq:max}
312   Max Dist = 
313   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
314       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
315        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
316 \end{equation}
317 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
318 Then we can select the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  Our objective function can
319 work with any energy model or any power values for each node (static and dynamic powers).
320 However, the most energy reduction gain can be achieved when the energy curve has a convex form as shown in~\cite{15,3,19}.
321
322 \section{The heterogeneous scaling algorithm }
323 \label{sec.optim}
324
325 In this section we are proposed a heterogeneous scaling algorithm,
326 (figure~\ref{HSA}), that selects the optimal vector of the frequency scaling factors from each
327 node.  The algorithm is numerates the suitable range of available vectors of the frequency scaling
328 factors for all node in a heterogeneous cluster, returns a vector of optimal
329 frequency scaling factors define as $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$. Using heterogeneous cluster 
330 has different computing powers is produces different workloads for each node. Therefore, the fastest nodes waiting at the
331 synchronous barrier for the slowest nodes to finish there work as in figure 
332 (\ref{fig:heter}). Our algorithm is takes into account these imbalanced workloads
333 when is starts to search for selecting the best vector of the frequency scaling factors. So, the
334 algorithm is selects the initial frequencies values for each node proportional
335 to the times of computations that gathered from the first iteration. As an
336 example in figure (\ref{fig:st_freq}), the algorithm don't tests the first
337 frequencies of the computing nodes until  their frequencies  is converge to the
338 frequency of the slowest node. The operational frequency gear not surly related to computing power, therefore the algorithm 
339 rapprochement the frequencies according to the computing power of each frequency. Moreover, If the algorithm is starts to test change the
340 frequency of the slowest node from the first gear, we are loosing the performance and
341 then the best trade-off relation (the maximum distance) be not reachable. This case will be similar
342 to a homogeneous cluster when all nodes scale down their frequencies together from
343 the first gears. Therefore, there is a small distance between the energy and
344 the performance curves in a homogeneous cluster compare to heterogeneous one, for example see the figure(\ref{fig:r1}) and figure(\ref{fig:r2}) .  Then the
345 algorithm starts to search for the optimal vector of the frequency scaling factors from the selected initial 
346 frequencies until all node reach their minimum frequencies.
347 \begin{figure}[t]
348   \centering
349     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
350   \caption{Selecting the initial frequencies}
351   \label{fig:st_freq}
352 \end{figure}
353
354
355 To compute the initial frequencies in each node, the algorithm firstly needs to compute the computation scaling factors $Scp_i$ of the node $i$. Each one of these factors is represents a ratio between the computation time of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follow:
356 \begin{equation}
357   \label{eq:Scp}
358  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
359 \end{equation}
360 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 
361 maximum frequency of node $i$  and the computation scaling factor $Scp_i$ as follow:
362 \begin{equation}
363   \label{eq:Fint}
364  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
365 \end{equation}
366 \begin{figure}[tp]
367   \begin{algorithmic}[1]
368     % \footnotesize
369     \Require ~
370     \begin{description}
371     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
372     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
373     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
374     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
375     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
376     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
377     \end{description}
378     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
379
380     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
381     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
382     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
383     \If{(not the first frequency)}
384           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
385     \EndIf 
386     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
387     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
388     \State $Dist \gets 0$
389     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
390     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
391         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
392         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
393         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
394         \EndIf
395        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
396        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
397                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
398        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
399        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
400       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
401         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
402         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
403       \EndIf
404     \EndWhile
405     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
406   \end{algorithmic}
407   \caption{Heterogeneous scaling algorithm}
408   \label{HSA}
409 \end{figure}
410 When the initial frequencies are computed, the algorithm numerates all available
411 frequency scaling factors starting from the initial frequencies until all nodes reach their
412 minimum frequencies. At each iteration the algorithm determine the slowest node according to EQ(\ref{eq:perf}). 
413 It is remains the frequency of the slowest node without change, while it is scales down the frequency of the other
414 nodes. This is improved the execution time degradation and energy saving in the same time.  
415 The proposed algorithm works online during the execution time of the iterative MPI program.  It is 
416 returns a vector of optimal frequency scaling factors  depending on the
417 objective function EQ(\ref{eq:max}). The program changes the new frequencies of
418 the CPUs according to the computed scaling factors.  This algorithm has a small
419 execution time: for a heterogeneous cluster composed of four different types of
420 nodes having the characteristics presented in table~(\ref{table:platform}), it  
421 takes \np[ms]{0.04} on average for 4 nodes and \np[ms]{0.15} on average for 144
422 nodes.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the
423 number of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm
424 needs on average from 12 to 20 iterations to selects the best vector of frequency scaling factors that give the results of the next section. It is called just once during the execution of the program.  The DVFS algorithm in figure~(\ref{dvfs}) shows where
425 and when the proposed scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
426 \begin{figure}[tp]
427   \begin{algorithmic}[1]
428     % \footnotesize
429     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
430       \State Computations section.
431       \State Communications section.
432       \If {$(k=1)$}
433         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
434                communication from each node.
435         \State Call algorithm from Figure~\ref{HSA} with these times.
436         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
437                returned optimal scaling factors.
438         \State Set the new frequencies to nodes.
439       \EndIf
440     \EndFor
441   \end{algorithmic}
442   \caption{DVFS algorithm}
443   \label{dvfs}
444 \end{figure}
445
446 \section{Experimental results}
447 \label{sec.expe}
448
449 The experiments of this work are executed on the simulator SimGrid/SMPI
450 v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}. We are configure the
451 simulator to use a heterogeneous cluster with one core per node. The proposed
452 heterogeneous cluster has four different types of nodes. Each node in the cluster
453 has different characteristics such as the maximum frequency speed, the number of
454 available frequencies and dynamic and static powers values, see table
455 (\ref{table:platform}). These different types of processing nodes are simulate some
456 real Intel processors. The maximum number of nodes that supported by the cluster
457 is 144 nodes according to characteristics of some MPI programs of the NAS
458 benchmarks that used. We are use the same number from each type of nodes when we
459 run the iterative MPI programs, for example if  we are execute the program on 8 node, there
460 are 2 nodes from each type participating in the computation. The dynamic and
461 static power values is different from one type to other. Each node has a dynamic
462 and static power values proportional to their computing power (FLOPS), for more
463 details see the Intel data sheets in \cite{47}.  Each node has a percentage of
464 80\% for dynamic power and 20\% for static power of the total power
465 consumption of a CPU, the same assumption is made in \cite{45,3}. These nodes are
466 connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
467 \begin{table}[htb]
468   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
469   % title of Table
470   \centering
471   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
472     \hline
473     Node     & Similar     & Max        & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
474     type     & to          & Freq. GHz  & Freq. GHz    & Freq GHz       & power        & power \\
475     \hline
476     1       & core-i3       & 2.5         & 1.2          & 0.1           & 20~w         &4~w    \\
477             &  2100T        &             &              &               &              &  \\
478     \hline
479     2       & Xeon          & 2.66        & 1.6          & 0.133         & 25~w         &5~w    \\
480             & 7542          &             &              &               &              &  \\
481     \hline
482     3       & core-i5       & 2.9         & 1.2          & 0.1           & 30~w         &6~w    \\
483             & 3470s         &             &              &               &              &  \\
484     \hline
485     4       & core-i7       & 3.4         & 1.6          & 0.133         & 35~w         &7~w    \\
486             & 2600s         &             &              &               &              &  \\
487     \hline
488   \end{tabular}
489   \label{table:platform}
490 \end{table}
491
492  
493 %\subsection{Performance prediction verification}
494
495
496 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
497 \label{sec.res}
498
499 The proposed algorithm was applied to seven MPI programs of the NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) NPB v3.3 
500 \cite{44},  which were run with three classes (A, B and C).
501 In this experiments we are interested to run the class C, the biggest class compared to A and B, on different number of 
502 nodes, from 4 to 128 or 144 nodes according to the type of the iterative MPI program.  Depending on the proposed energy consumption model EQ(\ref{eq:energy}),
503  we are measure the energy consumption for all NAS MPI programs. The dynamic and static power values are used under the same assumption used by \cite{45,3}, we are used a percentage of 80\% for dynamic power and 20\% for static of the total power consumption of a CPU. The heterogeneous nodes in table (\ref{table:platform}) have different  simulated computing power (FLOPS), ranked from the node of type 1 with smaller computing power (FLOPS) to the highest computing power (FLOPS) for node of type 4. Therefore, the power values are used proportionally increased from nodes of type 1 to nodes of type 4 that with highest computing power. Then, we are used an assumption that the power consumption is increased linearly when the computing power (FLOPS) of the processor is increased, see \cite{48}.   
504  
505 \begin{table}[htb]
506   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
507   % title of Table
508   \centering
509   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
510     \hline
511     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
512     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
513     \hline
514     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
515     \hline 
516     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
517    \hline
518     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
519    \hline
520     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
521     \hline
522     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
523    \hline
524     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
525    \hline
526     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
527 \hline 
528   \end{tabular}
529   \label{table:res_4n}
530 \end{table}
531
532 \begin{table}[htb]
533   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
534   % title of Table
535   \centering
536   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
537     \hline
538     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
539     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
540     \hline
541     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
542     \hline 
543     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
544    \hline
545     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
546    \hline
547     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
548     \hline
549     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
550    \hline
551     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
552    \hline
553     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
554 \hline 
555   \end{tabular}
556   \label{table:res_8n}
557 \end{table}
558
559 \begin{table}[htb]
560   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
561   % title of Table
562   \centering
563   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
564     \hline
565     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
566     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
567     \hline
568     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
569     \hline 
570     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
571    \hline
572     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
573    \hline
574     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
575     \hline
576     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
577    \hline
578     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
579    \hline
580     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
581 \hline 
582   \end{tabular}
583   \label{table:res_16n}
584 \end{table}
585
586 \begin{table}[htb]
587   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
588   % title of Table
589   \centering
590   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
591     \hline
592     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
593     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
594     \hline
595     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
596     \hline 
597     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
598    \hline
599     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
600    \hline
601     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
602     \hline
603     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
604    \hline
605     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
606    \hline
607     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
608 \hline 
609   \end{tabular}
610   \label{table:res_32n}
611 \end{table}
612
613 \begin{table}[htb]
614   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
615   % title of Table
616   \centering
617   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
618     \hline
619     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
620     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
621     \hline
622     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
623     \hline 
624     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
625    \hline
626     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
627    \hline
628     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
629     \hline
630     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
631    \hline
632     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
633    \hline
634     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
635 \hline 
636   \end{tabular}
637   \label{table:res_64n}
638 \end{table}
639
640
641 \begin{table}[htb]
642   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
643   % title of Table
644   \centering
645   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
646     \hline
647     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
648     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
649     \hline
650     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
651     \hline 
652     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
653    \hline
654     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
655    \hline
656     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
657     \hline
658     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
659    \hline
660     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
661    \hline
662     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
663 \hline 
664   \end{tabular}
665   \label{table:res_128n}
666 \end{table}
667
668 The results of applying the proposed scaling algorithm to the NAS benchmarks is demonstrated in tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). These tables are show the experimental results for running the NAS benchmarks on different number of nodes. In general the energy saving percent is decreased  when the number of the computing nodes is increased. Also the distance is decreased by the same direction of the energy saving. This because when we are run the iterative MPI programs on a big number of nodes the communications times is increased, so the static energy is increased linearly to these times. The tables also show that the performance degradation percent still approximately the same ratio or decreased in a very small present when the number of computing nodes is increased. This is gives a good prove that the proposed algorithm keeping the performance degradation as mush as possible is the same. 
669
670 \begin{figure}
671   \centering
672   \subfloat[CG, MG, LU and FT benchmarks]{%
673     \includegraphics[width=.23185\textwidth]{fig/avg_eq}\label{fig:avg_eq}}%
674   \quad%
675   \subfloat[BT and SP benchmarks]{%
676     \includegraphics[width=.23185\textwidth]{fig/avg_neq}\label{fig:avg_neq}}
677   \label{fig:avg}
678   \caption{The average of energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
679 \end{figure}
680
681 In the NAS benchmarks there are some programs executed on different number of
682 nodes. The benchmarks CG, MG, LU and FT executed on 2 to a power of (1, 2, 4, 8,
683 \dots{}) of nodes. The other benchmarks such as BT and SP executed on 2 to a
684 power of (1, 2, 4, 9, \dots{}) of nodes. We are take the average of energy
685 saving, performance degradation and distances for all results of NAS
686 benchmarks. The average of values of these three objectives are plotted to the number of
687 nodes as in plots (\ref{fig:avg_eq} and \ref{fig:avg_neq}).  In CG, MG, LU, and
688 FT benchmarks the average of energy saving is decreased when the number of nodes
689 is increased because the communication times is increased as mentioned
690 before. Thus, the average of distances (our objective function) is decreased
691 linearly with energy saving while keeping the average of performance degradation approximately is 
692 the same. In BT and SP benchmarks, the average of the  energy saving is not decreased
693 significantly compare to other benchmarks when the number of nodes is
694 increased. Nevertheless, the average of performance degradation approximately
695 still the same ratio. This difference is depends on the characteristics of the
696 benchmarks such as the computation to communication ratio that has.
697
698 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
699
700 The results of the previous section are obtained using a percentage of 80\% for
701 dynamic power and 20\% for static power of the total power consumption of a CPU. In this
702 section we are change these ratio by using two others power scenarios. Because is
703 interested to measure the ability of the proposed algorithm when these power ratios are changed. 
704 In fact, we are used two different scenarios for dynamic and static power ratios in addition to the previous
705 scenario in section (\ref{sec.res}). Therefore, we have three different
706 scenarios for three different dynamic and static power ratios refer to these as: 
707 70\%-20\%, 80\%-20\% and 90\%-10\% scenario respectively. The results of these scenarios
708 running the NAS benchmarks class C on 8 or 9 nodes are place in the tables
709 (\ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}).
710
711  \begin{table}[htb]
712   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
713   % title of Table
714   \centering
715   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
716     \hline
717     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
718     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
719     \hline
720     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
721     \hline 
722     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
723    \hline
724     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
725    \hline
726     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
727     \hline
728     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
729    \hline
730     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
731    \hline
732     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
733 \hline 
734   \end{tabular}
735   \label{table:res_s1}
736 \end{table}
737
738
739
740 \begin{table}[htb]
741   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
742   % title of Table
743   \centering
744   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
745     \hline
746     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
747     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
748     \hline
749     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
750     \hline 
751     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
752    \hline
753     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
754    \hline
755     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
756     \hline
757     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
758    \hline
759     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
760    \hline
761     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
762 \hline 
763   \end{tabular}
764   \label{table:res_s2}
765 \end{table}
766
767
768 \begin{figure}
769   \centering
770   \subfloat[Comparison the average of the results on 8 nodes]{%
771     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
772   \quad%
773   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors for 8 nodes]{%
774     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
775   \label{fig:comp}
776   \caption{The comparison of the three power scenarios}
777 \end{figure}
778
779 To compare the results of these three powers scenarios, we are take the average of the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks running on 8 or 9 nodes of class C, as in figure (\ref{fig:sen_comp}). Thus, according to the average of these results, the energy saving ratio is increased when using a higher percentage for dynamic power (e.g. 90\%-10\% scenario), due to increase in dynamic energy. While the average of energy saving is decreased in 70\%-30\% scenario. Because the static energy consumption is increase. Moreover, the average of distances is more related to energy saving changes. The average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). The raison behind these relations, that the proposed algorithm optimize both energy consumption and performance in the same time. Therefore, when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selecting bigger frequency scaling factors values, more energy saving versus more performance degradation, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The inverse happen when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects a smaller scaling values, less energy saving versus less performance degradation. This is because the  
780 algorithm is optimizes the  static energy consumption that is always related to the execution time. 
781
782 \subsection{The verifications of the proposed method}
783 \label{sec.verif}
784 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model EQ(\ref{eq:energy}). The energy model is significantly depends on the execution time model, that the static energy is related linearly. So, our work is depends mainly on execution time model. To verifying thid model, we are compare the predicted execution time with the real execution time (Simgrid time) values that gathered  offline from the NAS benchmarks class B executed on 8 or 9 nodes. The execution time model can predicts the real execution time by maximum normalized error equal to 0.03 for all the NAS benchmarks. The second verification that we are made is for the proposed scaling algorithm to prove its ability to selects the best vector of the frequency scaling factors. Therefore, we are expand the algorithm to test at each iteration the frequency scaling factor of the slowest node with the all available scaling factors of the other nodes, all possible solutions. This version of the algorithm is applied to different NAS benchmarks classes with different number of nodes. The results from the expanded algorithms and the proposed algorithm are identical. While the proposed algorithm is runs  by 10 times faster on average compare to the expanded algorithm.
785
786 \section{Conclusion}
787 \label{sec.concl}
788
789
790 \section*{Acknowledgment}
791
792
793 % trigger a \newpage just before the given reference
794 % number - used to balance the columns on the last page
795 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
796 % the document is modified later
797 %\IEEEtriggeratref{15}
798
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802
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