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[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
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54 \begin{document} 
55
56 \title{Energy Consumption Reduction for Message Passing Iterative  Applications in Heterogeneous Architecture Using DVFS}
57  
58 \author{% 
59   \IEEEauthorblockN{%
60     Jean-Claude Charr,
61     Raphaël Couturier,
62     Ahmed Fanfakh and
63     Arnaud Giersch
64   } 
65   \IEEEauthorblockA{%
66     FEMTO-ST Institute\\
67     University of Franche-Comté\\
68     IUT de Belfort-Montbéliard,
69     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
70     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
71     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
72     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
73    }
74   }
75
76 \maketitle
77
78 \begin{abstract}
79 Computing platforms are consuming more and more energy due to the increase of the number of nodes composing them. 
80 To minimize the operating costs of these platforms many techniques have been used. Dynamic voltage and frequency 
81 scaling (DVFS) is one of them, it reduces the frequency of a CPU to lower its energy consumption. However, 
82 lowering the frequency of a CPU might increase the execution time of an application running on that processor. 
83 Therefore, the frequency that gives the best  tradeoff between the energy consumption and the performance of an 
84 application must be selected. 
85
86 In this paper, a new online frequencies selecting algorithm for heterogeneous platforms is presented. 
87 It selects the frequency that try to give the best tradeoff between energy saving and performance degradation, 
88 for each node computing the message passing iterative application. The algorithm has a small overhead and 
89 works without training or profiling. It uses a new energy model for message passing iterative applications 
90 running on a heterogeneous platform. The proposed algorithm is evaluated  on the Simgrid simulator while 
91 running the NAS parallel benchmarks. The experiments demonstrated that it reduces the energy consumption 
92 up to 35\% while limiting the performance degradation as much as possible. \textcolor{red}{Furthermore, we compare the
93 proposed algorithm with other method. The comparison’s results show that our algorithm gives better
94 energy-time trade-off.}
95
96 \end{abstract}
97
98 \section{Introduction}
99 \label{sec.intro}
100 The need for more computing power is continually increasing. To partially satisfy this need, most supercomputers 
101 constructors just put more computing nodes in their platform. The resulting platform might achieve higher floating 
102 point operations per second (FLOPS), but the energy consumption and the heat dissipation are also increased. 
103 As an example, the Chinese supercomputer Tianhe-2 had the highest FLOPS in November 2014 according to the Top500 
104 list \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was also the  most power hungry platform with its over 3 millions 
105 cores consuming around 17.8 megawatts. Moreover, according to the U.S. annual energy outlook 2014 
106 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the price of energy for 1 megawatt-hour 
107 was approximately equal to \$70. 
108 Therefore, the price of the energy consumed by the 
109 Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 millions each year. 
110 The computing platforms must be more energy efficient and offer the highest number of FLOPS per watt possible, 
111 such as the L-CSC from the GSI Helmholtz Center which  
112 became the top of the Green500 list in November 2014 \cite{Green500_List}. 
113 This heterogeneous platform executes more than 5  GFLOPS per watt while consumed 57.15 kilowatts.
114
115 Besides hardware improvements, there are many software techniques to lower the energy consumption of these platforms, 
116 such as scheduling, DVFS, ... DVFS is a widely  used process to reduce the energy consumption of a processor by lowering 
117 its frequency \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also  reduces the number of FLOPS 
118 executed by the processor which might increase  the execution time of the application running over that processor.
119 Therefore, researchers used different optimization strategies to select the frequency that gives the best tradeoff  
120 between the energy reduction and 
121 performance degradation ratio. In \cite{Our_first_paper},  a frequency selecting algorithm 
122 was proposed to reduce the energy consumption of message passing iterative applications running over homogeneous platforms. The  results of the experiments showed significant energy consumption reductions. In this paper,  a new frequency selecting algorithm  adapted for heterogeneous platform  is presented. It selects the vector of frequencies, for a heterogeneous platform running a message passing iterative application,  that simultaneously tries to give the maximum energy reduction and minimum performance degradation ratio. The algorithm has a very small 
123 overhead, works online and does not need any training or profiling.  
124
125 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
126 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
127 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
128 model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
129 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
130 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
131 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified. 
132 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
133 on a heterogeneous platform. It shows the results of running three 
134 different power scenarios and comparing them. \textcolor{red}{Moreover, it also shows the comparison results
135 between our method and other method.}
136 Finally, in Section~\ref{sec.concl} the paper is ended with a summary and some future works.
137
138 \section{Related works}
139 \label{sec.relwork}
140 DVFS is a technique enabled 
141 in modern processors to scale down both the voltage and the frequency of 
142 the CPU while computing, in order to reduce the energy consumption of the processor. DVFS is 
143 also  allowed in the GPUs to achieve the same goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and might degrade the performance of the application running on that processor, especially if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a processor to satisfy some objectives and while taking into account all the constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that compute the new frequency while executing the application, such as ~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Dhiman_Online.Learning.Power.Management}. Others used offline methods that might need to run the application and profile it before selecting the new frequency, such as ~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}. The methods could be heuristics, exact  or brute force methods that satisfy varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be adapted to the execution's environment and the type of the application such as sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous platform,  synchronous or asynchronous application, ... 
144
145 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
146 Some works have already been done for such platforms and they can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
147 \begin{itemize}
148
149 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
150 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
151
152 \end{itemize}
153
154 For the first type of platform, the compute intensive parallel tasks are executed on the  GPUs and the rest are executed 
155 on the CPUs.  Luley et al.
156 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed  a heterogeneous 
157 cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal was to maximize the 
158 energy efficiency of the platform during computation by maximizing the number of FLOPS per watt generated. 
159 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et al. developed a scheduling 
160 algorithm that distributes  workloads proportional to the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks must be completed at the same time.
161 In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Rong et al. showed that 
162 a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables DVFS gave better energy and performance 
163 efficiency than other clusters only composed of  CPUs.
164  
165 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with heterogeneous CPUs.
166 Many methods were conceived to reduce the energy consumption of this type of platform.  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling}  
167 developed a method that minimizes the value of $energy*delay^2$ (the delay is the sum of slack times that happen during synchronous communications) by dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster. Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed
168 an algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and 
169 non critical tasks. The algorithm scales down the frequency of  non critical tasks proportionally to their  slack and communication times while limiting  the performance degradation percentage to less than 10\%. In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed 
170   a heterogeneous cluster composed of two  types 
171 of Intel and AMD processors. They use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
172 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
173  the best frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using some 
174 heuristic. Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic programming approach to  
175 minimize the power consumption of heterogeneous severs  while respecting given time constraints. This approach 
176 had considerable overhead.
177 In contrast to the above described papers, this paper presents the following contributions :
178 \begin{enumerate}
179 \item  two new energy and performance models for message passing iterative synchronous applications running over 
180        a heterogeneous platform. Both models takes into account the communication and slack times. The models can predict the required energy and the execution time of the application.
181        
182 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous platforms. The algorithm has a very small 
183       overhead and does not need for any training or profiling. It uses a new optimization function which simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption of a message passing iterative synchronous application.
184       
185 \end{enumerate}
186
187 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
188 \label{sec.exe}
189
190
191
192 \subsection{The execution time of message passing distributed 
193                 iterative applications on a heterogeneous platform}
194
195 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
196 passing distributed iterative synchronous applications running over
197 heterogeneous platforms. A heterogeneous platform is defined as a collection of
198 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
199 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
200 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
201 have the same network bandwidth and latency.
202
203 The overall execution time  of a distributed iterative synchronous application 
204 over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and 
205 the communication time for every iteration on a node. However, due to the 
206 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur 
207 when fast nodes have to  wait, during synchronous communications, for  the slower 
208 nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
209 Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
210 task which have the highest computation time and no slack time.
211   
212  \begin{figure}[t]
213   \centering
214    \includegraphics[scale=0.5]{fig/commtasks}
215   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
216   \label{fig:heter}
217 \end{figure}
218
219 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
220 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
221 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
222 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
223 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
224 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
225 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
226 as in (\ref{eq:s}).
227 \begin{equation}
228   \label{eq:s}
229  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
230 \end{equation}
231  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
232  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
233  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
234  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
235  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
236  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
237  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
238  The communication time for a task is the summation of  periods of 
239  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
240  until the message is synchronously sent or received.
241
242 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
243 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
244 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
245 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
246 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
247 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
248 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
249 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
250 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
251 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
252 \begin{equation}
253   \label{eq:perf}
254  \textit  T_\textit{new} = 
255  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm 
256 \end{equation}
257 Where:\\
258 \begin{equation}
259 \label{eq:perf}
260  MinTcm = \min_{i=1,2,\dots,N} (Tcm_i)
261 \end{equation}
262 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first 
263 iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from 
264 the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
265 with scaling factor from each node  added to the communication time of the 
266 slowest node, it means  only the  communication time without any slack time. 
267 Therefore, the execution time of the iterative application is 
268 equal to the execution time of one iteration as in (\ref{eq:perf}) multiplied 
269 by the number of iterations of that application.
270
271 This prediction model is developed from the model for predicting the execution time of 
272 message passing distributed applications for homogeneous architectures~\cite{Our_first_paper}. 
273 The execution time prediction model is uSpiliopoulossed in the method for optimizing both 
274 energy consumption and performance of iterative methods, which is presented in the 
275 following sections.
276
277
278 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
279 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
280 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
281 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
282 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
283 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
284 computation times.  The dynamic power $Pd$ is related to the switching
285 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
286 operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
287 \begin{equation}
288   \label{eq:pd}
289   Pd = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
290 \end{equation}
291 The static power $Ps$ captures the leakage power as follows:
292 \begin{equation}
293   \label{eq:ps}
294    Ps  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
295 \end{equation}
296 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
297 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
298 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
299 to execute a given program can be computed as:
300 \begin{equation}
301   \label{eq:eind}
302    E_\textit{ind} =  Pd \cdot Tcp + Ps \cdot T
303 \end{equation}
304 where $T$ is the execution time of the program, $Tcp$ is the computation
305 time and $Tcp \le T$.  $Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
306 communication and no slack time.
307
308 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
309 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
310 constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the dynamic
311 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
312 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
313 ratio between the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).
314 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
315 system's kernel to lower a core's frequency. The new frequency 
316 $F_{new}$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as follows:
317 \begin{equation}
318   \label{eq:fnew}
319    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
320 \end{equation}
321 Replacing $F_{new}$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following 
322 equation for dynamic power consumption:
323 \begin{multline}
324   \label{eq:pdnew}
325    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
326    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
327 \end{multline}
328 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
329 new frequency and the maximum frequency respectively.
330
331 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
332 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
333 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
334 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
335 and is given by the following equation:
336 \begin{equation}
337   \label{eq:Edyn}
338    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
339 \end{equation}
340 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
341 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
342  the static power of a processor is considered as constant 
343 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
344 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
345 According to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
346 is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
347 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
348 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
349 \begin{equation}
350   \label{eq:Estatic}
351  E_\textit{s} = Ps \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
352 \end{equation}
353
354 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and 
355 static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed 
356 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ 
357 noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed 
358 in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. 
359 The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times 
360 if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do 
361 not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency 
362 scaling factor and the dynamic power of each node as in (\ref{eq:Edyn}), the static energy is 
363 computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. 
364 The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a 
365 heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies 
366 for each  processor.  It is computed as follows:
367 \begin{multline}
368   \label{eq:energy}
369  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
370  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
371   {MinTcm))}
372  \end{multline}
373
374 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
375 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
376 application and thus, increase the static energy because the execution time is
377 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption for the iterative 
378 application can be measured by measuring  the energy consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) 
379 multiplied by the number of iterations of that application.
380
381
382 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
383 \label{sec.compet}
384
385 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy 
386 efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced 
387 while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally 
388 decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic 
389 and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by 
390 scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption 
391 of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate 
392 frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor 
393 (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed 
394 (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not 
395 significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{Our_first_paper}, we  proposed a method 
396 that selects the optimal frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message 
397 passing iterative synchronous application while giving the best trade-off  between the energy 
398 consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
399 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not 
400 one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off 
401 between energy consumption and performance. 
402
403 The relation between the energy consumption and the execution time for an application is 
404 complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
405 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
406 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  
407 Moreover, they are not measured using the same metric.  To solve this problem,  the
408 execution time is normalized by computing the ratio between the new execution time (after 
409 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum 
410 frequency for all nodes) as follows:
411 \begin{multline}
412   \label{eq:pnorm}
413   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
414        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
415            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
416 \end{multline}
417
418
419 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the consumed energy 
420 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
421 \begin{multline}
422   \label{eq:enorm}
423   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
424   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
425  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
426  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
427 \end{multline} 
428 Where $E_\textit{Reduced}$ and $E_\textit{Original}$ are computed using (\ref{eq:energy}) and
429   $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in (\ref{eq:pnorm}).
430
431 While the main 
432 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
433 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
434 to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the vector  of frequency
435 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
436 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
437 reduction with minimum execution time reduction.  
438   
439 This problem can be solved by making the optimization process for energy and 
440 execution time follow the same direction.  Therefore, the equation of the 
441 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance equation, as follows:
442 \begin{multline}
443   \label{eq:pnorm_inv}
444   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
445           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
446             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
447 \end{multline}
448
449
450 \begin{figure}
451   \centering
452   \subfloat[Homogeneous platform]{%
453     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
454   
455   
456   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
457     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
458   \label{fig:rel}
459   \caption{The energy and performance relation}
460 \end{figure}
461
462 Then, the objective function can be modeled   as finding the maximum distance
463 between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the  performance
464 curve (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
465 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
466 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}). Then the objective
467 function has the following form:
468 \begin{equation}
469   \label{eq:max}
470   Max Dist = 
471   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
472       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
473        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
474 \end{equation}
475 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each node. 
476 Then, the optimal set of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
477 The objective function can work with any energy model or any power values for each node 
478 (static and dynamic powers). However, the most energy reduction gain can be achieved when 
479 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}.
480
481 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
482 \label{sec.optim}
483
484 \subsection{The algorithm details}
485 In this section algorithm \ref{HSA} is presented. It selects the frequency scaling factors 
486 vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing 
487 the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous 
488 platform. It works online during the execution time of the iterative message passing program.  
489 It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the 
490 communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first 
491 iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective 
492 function (\ref{eq:max}). The program apply DVFS operations to change the frequencies of the CPUs 
493 according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution 
494 of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called 
495 in the iterative MPI program.
496
497 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message 
498 passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their 
499 computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). 
500 These periods are called idle or slack times. 
501 The algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the 
502 frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase 
503 the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of 
504 fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely 
505 proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency 
506 scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the 
507 computation time of the node $i$ as follows:
508 \begin{equation}
509   \label{eq:Scp}
510  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
511 \end{equation}
512 Using the initial  frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
513 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
514 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
515 \begin{equation}
516   \label{eq:Fint}
517  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
518 \end{equation}
519 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed 
520 initial frequency is replaced by the nearest available frequency. In  figure (\ref{fig:st_freq}), 
521 the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster 
522 nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new 
523 frequencies are colored in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered 
524 as a higher bound for the search space of the optimal vector of frequencies because selecting frequency 
525 scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and 
526 it will increase its overall energy consumption. Therefore the algorithm that selects the frequency 
527 scaling factors starts the search method from these initial frequencies and takes a downward search direction 
528 toward lower frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all 
529 nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select 
530 the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node 
531 according to (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  
532 all other nodes by one gear.
533 The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. 
534 The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective 
535 function (\ref{eq:max}).
536
537 The plots~(\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}) illustrate the normalized performance and consumed energy for an 
538 application running on a homogeneous platform and a heterogeneous platform respectively while increasing the 
539 scaling factors. It can be noticed that in a homogeneous platform the search for the optimal scaling factor 
540 should be started from the maximum frequency because the performance and the consumed energy is decreased since  
541 the beginning of the plot. On the other hand, in  the heterogeneous platform the performance is  maintained at 
542 the beginning of the plot even if the frequencies of the faster nodes are decreased until the scaled down nodes 
543 have computing powers lower than the slowest node. In other words, until they reach the higher bound. It can 
544 also be noticed that the higher the difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger 
545 the maximum distance between the energy curve and the performance curve is while varying the scaling factors 
546 which results in bigger energy savings. 
547 \begin{figure}[t]
548   \centering
549     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
550   \caption{Selecting the initial frequencies}
551   \label{fig:st_freq}
552 \end{figure}
553
554
555
556
557 \begin{algorithm}
558   \begin{algorithmic}[1]
559     % \footnotesize
560     \Require ~
561     \begin{description}
562     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
563     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
564     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
565     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
566     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
567     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
568     \end{description}
569     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
570
571     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
572     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
573     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
574     \If{(not the first frequency)}
575           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
576     \EndIf 
577     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
578     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
579     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
580     \State $Dist \gets 0 $
581     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
582         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
583         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
584         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
585         \EndIf
586        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
587        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
588                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
589        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
590        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
591       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
592         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
593         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
594       \EndIf
595     \EndWhile
596     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
597   \end{algorithmic}
598   \caption{frequency scaling factors selection algorithm}
599   \label{HSA}
600 \end{algorithm}
601
602 \begin{algorithm}
603   \begin{algorithmic}[1]
604     % \footnotesize
605     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
606       \State Computations section.
607       \State Communications section.
608       \If {$(k=1)$}
609         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
610                communication from each node.
611         \State Call algorithm \ref{HSA}.
612         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
613                returned optimal scaling factors.
614         \State Set the new frequencies to nodes.
615       \EndIf
616     \EndFor
617   \end{algorithmic}
618   \caption{DVFS algorithm}
619   \label{dvfs}
620 \end{algorithm}
621
622 \subsection{The evaluation of the proposed algorithm}
623 \label{sec.verif.algo}
624 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
625 (\ref{eq:perf}) and the energy model computed by (\ref{eq:energy}). 
626 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
627 linearly related the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
628 the works presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
629 execution time was compared to  the real execution time over SimGrid/SMPI simulator, v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}, 
630 for all  the NAS parallel benchmarks NPB v3.3 
631 \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}, running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
632 the maximum normalized difference between the predicted execution time  and the real execution time is equal 
633 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
634
635 Since  the proposed algorithm is not an exact method and does not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
636 in the search space. To prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
637 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
638 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
639 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
640 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
641 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 
642 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
643 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
644 vector of frequency scaling factors that gives the results of the next sections.
645
646 \section{Experimental results}
647 \label{sec.expe}
648 To evaluate the efficiency and the overall energy consumption reduction of algorithm~ \ref{HSA}, 
649 it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3. The experiments were executed 
650 on the simulator SimGrid/SMPI which offers easy tools to create a heterogeneous platform and run 
651 message passing applications over it. The  heterogeneous platform that was used in the experiments, 
652 had one core per node because just one  process was executed per node. 
653 The heterogeneous platform  was composed of four types of nodes. Each type of nodes had different 
654 characteristics such as the maximum CPU frequency, the number of
655 available frequencies and the computational power, see Table \ref{table:platform}. The characteristics 
656 of these different types of  nodes are inspired   from the specifications of real Intel processors. 
657 The heterogeneous platform had up to 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, 
658 for example if  a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the constructors 
659 of CPUs do not specify the dynamic and the static power of their CPUs, for each type of node they were 
660 chosen proportionally to its computing power (FLOPS).  In the initial heterogeneous platform,  while computing 
661 with highest frequency, each node  consumed power proportional to its computing power which 80\% of it was 
662 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}. 
663 Finally, These nodes were connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
664
665
666 \begin{table}[htb]
667   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
668   % title of Table
669   \centering
670   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
671     \hline
672     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
673     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
674                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
675     \hline
676     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~w         &4~w    \\
677          
678     \hline
679     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~w         &5~w    \\
680                   
681     \hline
682     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~w         &6~w    \\
683                   
684     \hline
685     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~w         &7~w    \\
686                   
687     \hline
688   \end{tabular}
689   \label{table:platform}
690 \end{table}
691
692  
693 %\subsection{Performance prediction verification}
694
695
696 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
697 \label{sec.res}
698
699
700 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) 
701 and the benchmarks were executed with the three classes: A,B and C. However, due to the lack of space in 
702 this paper, only the results of the biggest class, C, are presented while being run on different number 
703 of nodes, ranging  from 4 to 128 or 144 nodes depending on the benchmark being executed. Indeed, the 
704 benchmarks CG, MG, LU, EP and FT should be executed on $1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes. 
705 The other benchmarks such as BT and SP should be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
706
707  
708  
709 \begin{table}[htb]
710   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
711   % title of Table
712   \centering
713   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
714     \hline
715     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
716     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
717     \hline
718     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
719     \hline 
720     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
721    \hline
722     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
723    \hline
724     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
725     \hline
726     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
727    \hline
728     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
729    \hline
730     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
731 \hline 
732   \end{tabular}
733   \label{table:res_4n}
734 \end{table}
735
736 \begin{table}[htb]
737   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
738   % title of Table
739   \centering
740   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
741     \hline
742     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
743     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
744     \hline
745     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
746     \hline 
747     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
748    \hline
749     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
750    \hline
751     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
752     \hline
753     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
754    \hline
755     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
756    \hline
757     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
758 \hline 
759   \end{tabular}
760   \label{table:res_8n}
761 \end{table}
762
763 \begin{table}[htb]
764   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
765   % title of Table
766   \centering
767   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
768     \hline
769     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
770     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
771     \hline
772     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
773     \hline 
774     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
775    \hline
776     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
777    \hline
778     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
779     \hline
780     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
781    \hline
782     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
783    \hline
784     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
785 \hline 
786   \end{tabular}
787   \label{table:res_16n}
788 \end{table}
789
790 \begin{table}[htb]
791   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
792   % title of Table
793   \centering
794   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
795     \hline
796     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
797     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
798     \hline
799     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
800     \hline 
801     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
802    \hline
803     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
804    \hline
805     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
806     \hline
807     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
808    \hline
809     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
810    \hline
811     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
812 \hline 
813   \end{tabular}
814   \label{table:res_32n}
815 \end{table}
816
817 \begin{table}[htb]
818   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
819   % title of Table
820   \centering
821   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
822     \hline
823     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
824     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
825     \hline
826     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
827     \hline 
828     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
829    \hline
830     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
831    \hline
832     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
833     \hline
834     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
835    \hline
836     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
837    \hline
838     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
839 \hline 
840   \end{tabular}
841   \label{table:res_64n}
842 \end{table}
843
844
845 \begin{table}[htb]
846   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
847   % title of Table
848   \centering
849   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
850     \hline
851     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
852     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
853     \hline
854     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
855     \hline 
856     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
857    \hline
858     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
859    \hline
860     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
861     \hline
862     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
863    \hline
864     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
865    \hline
866     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
867 \hline 
868   \end{tabular}
869   \label{table:res_128n}
870 \end{table}
871 The overall energy consumption was computed for each instance according to the energy 
872 consumption  model (\ref{eq:energy}), with and without applying the algorithm. The 
873 execution time was also measured for all these experiments. Then, the energy saving 
874 and performance degradation percentages were computed for each instance.  
875 The results are presented in Tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, 
876 \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). All these results are the 
877 average values from many experiments for  energy savings and performance degradation.
878 The tables  show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks on different 
879 number of nodes. The experiments show that the algorithm reduce significantly the energy 
880 consumption (up to 35\%) and tries to limit the performance degradation. They also show that 
881 the  energy saving percentage is decreased  when the number of the computing nodes is increased. 
882 This reduction is due to the increase of the communication times compared to the execution times 
883 when the benchmarks are run over a high number of nodes. Indeed, the benchmarks with the same class, C, 
884 are executed on different number of nodes, so the computation required for each iteration is divided 
885 by the number of computing nodes.   On the other hand, more communications are required when increasing 
886 the number of nodes so the static energy is increased linearly according to the communication time and 
887 the dynamic power is less relevant in the overall energy consumption. Therefore, reducing the frequency 
888 with algorithm~(\ref{HSA}) have less effect in reducing the overall energy savings. It can also be 
889 noticed that for the benchmarks EP and SP that contain little or no communications,  the energy savings 
890 are not significantly affected with the high number of nodes. No experiments were conducted using bigger 
891 classes such as D, because they require a lot of memory(more than 64GB) when being executed by the simulator 
892 on one machine. The maximum distance between the normalized energy curve and the normalized performance 
893 for each instance is also shown in the result tables. It is decreased in the same way as the energy 
894 saving percentage. The tables also show that the performance degradation percentage is not significantly 
895 increased when the number of computing nodes is increased because the computation times are small when 
896 compared to the communication times.  
897
898
899  
900 \begin{figure}
901   \centering
902   \subfloat[Energy saving]{%
903     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
904   
905   \subfloat[Performance degradation ]{%
906     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
907   \label{fig:avg}
908   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
909 \end{figure}
910
911 Plots (\ref{fig:energy} and \ref{fig:per_deg}) present the energy saving and performance degradation 
912 respectively for all the benchmarks according to the number of used nodes. As shown in the first plot, 
913 the energy saving percentages of the benchmarks MG, LU, BT and FT are decreased linearly  when the  
914 number of nodes is increased. While for the  EP and SP benchmarks, the energy saving percentage is not 
915 affected by the increase of the number of computing nodes, because in these benchmarks there are little or 
916 no communications. Finally, the energy saving of the GC benchmark  is significantly decreased when the number 
917 of nodes is increased because  this benchmark has more communications than the others. The second plot 
918 shows that the performance degradation percentages of most of the benchmarks are decreased when they 
919 run on a big number of nodes because they spend more time communicating than computing, thus, scaling 
920 down the frequencies of some nodes have less effect on the performance. 
921
922
923
924
925 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
926 \label{sec.compare}
927 The results of the previous section were obtained while using processors that consume during computation 
928 an overall power which is 80\% composed of  dynamic power and 20\% of static power. In this section, 
929 these ratios are changed and two new power scenarios are considered in order to evaluate how the proposed  
930 algorithm adapts itself according to the static and dynamic power values.  The two new power scenarios 
931 are the following: 
932
933 \begin{itemize}
934 \item 70\% dynamic power  and 30\% static power
935 \item 90\% dynamic power  and 10\% static power
936 \end{itemize}
937
938 The NAS parallel benchmarks were executed again over processors that follow the new power scenarios. 
939 The class C of each benchmark was run over 8 or 9 nodes and the results are presented in  Tables 
940 \ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}. These tables show that the energy saving percentage of the 70\%-30\% 
941 scenario is less for all benchmarks compared to the energy saving of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in the latter 
942 more dynamic power is consumed when nodes are running on their maximum frequencies, thus, scaling down the frequency 
943 of the nodes results in higher energy savings than in the 70\%-30\% scenario. On the other hand,  the performance 
944 degradation percentage is less in the 70\%-30\% scenario  compared to the 90\%-10\%  scenario. This is due to the 
945 higher static power percentage in the first scenario which makes it more relevant in the overall consumed energy. 
946 Indeed, the static energy is related to the execution time and if the performance is  degraded the total consumed 
947 static energy is directly increased. Therefore, the proposed algorithm do not scales down much the frequencies of the 
948 nodes  in order to limit the increase of the execution time and thus limiting the effect of the consumed static energy.
949
950 The two new power scenarios are compared to the old one in figure (\ref{fig:sen_comp}). It shows the average of 
951 the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks of class C running on 8 or 9 nodes. 
952 The comparison shows that  the energy saving ratio is proportional to the dynamic power ratio: it is increased 
953 when applying the  90\%-10\% scenario because at maximum frequency the dynamic  energy is the  most relevant 
954 in the overall consumed energy and can be reduced by lowering the frequency of some processors. On the other hand, 
955 the energy saving is decreased when  the 70\%-30\% scenario is used because the dynamic  energy is less relevant in 
956 the overall consumed energy and lowering the frequency do not returns big energy savings.
957 Moreover, the average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power 
958 (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). Since the proposed algorithm optimizes the energy consumption 
959 when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selects bigger frequency scaling factors that result in 
960 more energy saving but less performance, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The opposite happens 
961 when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects  smaller scaling values which 
962 results in less energy saving but less performance degradation. 
963
964
965  \begin{table}[htb]
966   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
967   % title of Table
968   \centering
969   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
970     \hline
971     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
972     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
973     \hline
974     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
975     \hline 
976     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
977    \hline
978     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
979    \hline
980     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
981     \hline
982     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
983    \hline
984     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
985    \hline
986     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
987 \hline 
988   \end{tabular}
989   \label{table:res_s1}
990 \end{table}
991
992
993
994 \begin{table}[htb]
995   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
996   % title of Table
997   \centering
998   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
999     \hline
1000     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1001     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1002     \hline
1003     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1004     \hline 
1005     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1006    \hline
1007     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1008    \hline
1009     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1010     \hline
1011     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1012    \hline
1013     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1014    \hline
1015     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1016 \hline 
1017   \end{tabular}
1018   \label{table:res_s2}
1019 \end{table}
1020
1021
1022 \begin{figure}
1023   \centering
1024   \subfloat[Comparison  of the results on 8 nodes]{%
1025     \includegraphics[width=.30\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1026
1027   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1028     \includegraphics[width=.34\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1029   \label{fig:comp}
1030   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1031 \end{figure}  
1032
1033
1034
1035
1036 \subsection{The comparison of the proposed scaling algorithm }
1037 \label{sec.compare_EDP}
1038
1039 In this section, we compare our scaling  factors selection algorithm
1040 with Spiliopoulos et al. algorithm \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}. 
1041 They developed an online frequency selecting algorithm running over multicore architecture. 
1042 The algorithm predicted both the energy and performance during the runtime of the program, then 
1043 selecting the frequencies that minimized the energy and delay products (EDP), $EDP=Enegry*Delay$. 
1044 To be able to compare with this algorithm, we used our energy and execution time models in prediction process,
1045 equations (\ref{eq:energy}) and  (\ref{eq:fnew}). Also their algorithm is adapted to taking into account 
1046 the heterogeneous platform to starts selecting the 
1047 initial frequencies using the equation (\ref{eq:Fint}). The algorithm built to test all possible frequencies as 
1048 a brute-force search algorithm. 
1049
1050 The comparison results of running NAS benchmarks class C on 8 or 9 nodes are 
1051 presented in table \ref{table:compare_EDP}. The results show that our algorithm has a biggest energy saving percentage, 
1052 on average it has 29.76\% and thier algorithm has 25.75\%,
1053 while the average of performance degradation percentage is approximately the same, the average for our algorithm is 
1054 equal to 3.89\% and for their algorithm is equal to 4.03\%. In general, our algorithm outperforms 
1055 Spiliopoulos et al. algorithm in term of energy and performance tradeoff see figure (\ref{fig:compare_EDP}). 
1056 This because our algorithm maximized the difference (the distance) between the energy saving and the performance degradation 
1057 comparing to their EDP optimization function. It is also keeps the frequency of the slowest node without change 
1058 that gave some enhancements to the energy and performance tradeoff.
1059
1060
1061 \begin{table}[h]
1062  \caption{Comparing the proposed algorithm}
1063  \centering
1064 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|}
1065 \hline
1066 \multicolumn{2}{|l|}{\multirow{2}{*}{\begin{tabular}[c]{@{}l@{}}Program \\ name\end{tabular}}} & \multicolumn{2}{l|}{Energy saving \%} & \multicolumn{2}{l|}{Perf.  degradation \%} & \multicolumn{2}{l|}{Distance} \\ \cline{3-8} 
1067 \multicolumn{2}{|l|}{}                                                                         & EDP             & MaxDist          & EDP            & MaxDist           & EDP          & MaxDist        \\ \hline
1068 \multicolumn{2}{|l|}{CG}                                                                       & 27.58           & 31.25            & 5.82           & 7.12              & 21.76        & 24.13          \\ \hline
1069 \multicolumn{2}{|l|}{MG}                                                                       & 29.49           & 33.78            & 3.74           & 6.41              & 25.75        & 27.37          \\ \hline
1070 \multicolumn{2}{|l|}{LU}                                                                       & 19.55           & 28.33            & 0.0            & 0.01              & 19.55        & 28.22          \\ \hline
1071 \multicolumn{2}{|l|}{EP}                                                                       & 28.40           & 27.04            & 4.29           & 0.49              & 24.11        & 26.55          \\ \hline
1072 \multicolumn{2}{|l|}{BT}                                                                       & 27.68           & 32.32            & 6.45           & 7.87              & 21.23        & 24.43          \\ \hline
1073 \multicolumn{2}{|l|}{SP}                                                                       & 20.52           & 24.73            & 5.21           & 2.78              & 15.31         & 21.95         \\ \hline
1074 \multicolumn{2}{|l|}{FT}                                                                       & 27.03           & 31.02            & 2.75           & 2.54              & 24.28        & 28.48           \\ \hline
1075
1076 \end{tabular}
1077 \label{table:compare_EDP}
1078 \end{table}
1079
1080
1081
1082 \begin{figure}[t]
1083   \centering
1084    \includegraphics[scale=0.5]{fig/compare_EDP.pdf}
1085   \caption{Tradeoff comparison for NAS benchmarks class C}
1086   \label{fig:compare_EDP}
1087 \end{figure}
1088
1089
1090 \section{Conclusion}
1091 \label{sec.concl} 
1092 In this paper, a new online frequency selecting algorithm has been presented. It selects the best possible vector of frequency scaling factors that gives the maximum distance (optimal tradeoff) between the predicted energy and 
1093 the predicted performance curves for a heterogeneous platform. This algorithm uses a new energy model for measuring  
1094 and predicting the energy of distributed iterative applications running over heterogeneous 
1095 platform. To evaluate the proposed method, it  was  applied on the NAS parallel benchmarks and executed over a heterogeneous platform simulated by  Simgrid. The results of the experiments showed that the algorithm reduces up to 35\% the energy consumption of a message passing iterative method while limiting the degradation of the performance. The algorithm also  selects different scaling factors   according to the percentage of the computing and communication times, and according to the values of  the static and  dynamic powers of the CPUs. \textcolor{red}{ We compare our algorithm with Spiliopoulos et al. algorithm, the comparison results showed that our 
1096 algorithm outperforms their algorithm in term of energy-time tradeoff.}
1097
1098 In the near future, this method will be applied to real heterogeneous platforms to evaluate its performance in a real study case. It would also be interesting to evaluate its scalability over large scale heterogeneous platform and measure the energy consumption reduction it can produce. Afterward, we would like  to develop a similar method that is adapted to asynchronous  iterative applications 
1099 where each task does not wait for others tasks to finish there works. The development of such method might require a new 
1100 energy model because the number of iterations is not 
1101 known in advance and depends on the global convergence of the iterative system.
1102
1103 \section*{Acknowledgment}
1104
1105 This work has been partially supported by the Labex
1106 ACTION project (contract “ANR-11-LABX-01-01”). As a PhD student,
1107 Mr. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
1108 Babylon (Iraq) for supporting his work.
1109
1110
1111 % trigger a \newpage just before the given reference
1112 % number - used to balance the columns on the last page
1113 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1114 % the document is modified later
1115 %\IEEEtriggeratref{15}
1116
1117 \bibliographystyle{IEEEtran}
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1119 \end{document}
1120
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