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[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
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54 \begin{document} 
55
56 \title{Energy Consumption Reduction in a Heterogeneous Architecture Using DVFS}
57  
58 \author{% 
59   \IEEEauthorblockN{%
60     Jean-Claude Charr,
61     Raphaël Couturier,
62     Ahmed Fanfakh and
63     Arnaud Giersch
64 the normalized performance equation, as follows:
65   } 
66   \IEEEauthorblockA{%
67     FEMTO-ST Institute\\
68     University of Franche-Comté\\
69     IUT de Belfort-Montbéliard,
70     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
71     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
72     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
73     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
74    }
75   }
76
77 \maketitle
78
79 \begin{abstract}
80   
81 \end{abstract}
82
83 \section{Introduction}
84 \label{sec.intro}
85 Modern processors continue to increased in a performance. 
86 The CPUs constructors are competing to achieve maximum number 
87 of floating point operations per second (FLOPS). 
88 Thus, the energy consumption and the heat dissipation are increased 
89 drastically according to this increase. Because the number of FLOPS 
90 is linearly related to the power consumption of a CPU~\cite{51}.  
91 As an example of the more power hungry cluster, Tianhe-2 became in 
92 the top of the Top500 list in June 2014 \cite{43}. It has more than 
93 3 millions of cores and consumed more than 17.8 megawatts. 
94 Moreover, according to the U.S. annual energy outlook 2014 \cite{60}, 
95 the price of energy for 1 megawatt-hour was approximately equal to \$70. 
96 Therefore, we can consider the price of the energy consumption for the 
97 Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 millions  for 
98 one year. For this reason, the heterogeneous clusters must be offer more 
99 energy efficiency due to the increase in the energy cost and the environment 
100 influences. Therefore, a green computing clusters with maximum number of 
101 FLOPS per watt are required nowadays. For example, the GSIC center of Tokyo, 
102 became the top of the Green500 list in June 2014 \cite{59}. This platform  
103 has more than four thousand of  MFLOPS per watt. Dynamic voltage and frequency 
104 scaling (DVFS) is a process used widely to reduce the energy consumption of 
105 the processor. In a heterogeneous clusters enabled DVFS, many researchers 
106 used DVFS  in a different ways. DVFS can be minimized the energy consumption 
107 but it leads to a disadvantage due to increase in performance degradation. 
108 Therefore,  researchers used different optimization strategies to overcame 
109 this problem. The best tradeoff relation between the energy reduction and 
110 performance degradation ratio is became a key challenges in a heterogeneous 
111 platforms. In this paper we are propose a heterogeneous scaling algorithm  
112 that selects the optimal vector of the frequency scaling factors for distributed 
113 iterative application, producing maximum energy reduction against minimum 
114 performance degradation ratio simultaneously. The algorithm has very small 
115 overhead, works online and not needs for any training or profiling.  
116
117 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
118 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
119 execution time of MPI programs can be predicted.  It also presents an energy
120 model for heterogeneous platforms. Section~\ref{sec.compet} presents
121 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
122 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
123 Section~\ref{sec.optim} details the proposed heterogeneous scaling algorithm.
124 Section~\ref{sec.expe} presents the results of running  the NAS benchmarks on 
125 the proposed heterogeneous platform. It also shows the comparison of three 
126 different power scenarios and it verifies the precision of the proposed algorithm.  
127 Finally, we conclude in Section~\ref{sec.concl} with a summary and some future works.
128
129 \section{Related works}
130 \label{sec.relwork}
131 Energy reduction process for a high performance clusters recently performed using 
132 dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) technique. DVFS is a technique enabled 
133 in a modern processors to scaled down both of the  voltage and the frequency of 
134 the CPU while it is in the computing mode to reduce the energy consumption. DVFS is 
135 also  allowed in the graphical processors GPUs, to achieved the same goal. Applying 
136 DVFS has a dramatical side effect if it is applied to minimum levels to gain more 
137 energy reduction, producing a high percentage of performance degradations for the 
138 parallel applications.  Many researchers used different strategies to solve this 
139 nonlinear problem for example in~\cite{19,42}, their methods add big overheads to 
140 the algorithm to select the suitable frequency.  In this paper we  present a method 
141 to find the optimal set of frequency scaling factors for a heterogeneous cluster to 
142 simultaneously optimize both the energy and the execution time  without adding a big 
143 overhead. This work is developed from our previous work of a homogeneous cluster~\cite{45}. 
144 Therefore we are interested to present some works that concerned the heterogeneous clusters 
145 enabled DVFS. In general, the heterogeneous cluster works fall into two categorizes: 
146 GPUs-CPUs heterogeneous clusters and CPUs-CPUs heterogeneous clusters. In GPUs-CPUs 
147 heterogeneous clusters some parallel tasks executed on a GPUs and the others executed 
148 on a CPUs. As an example of this works, Luley et al.~\cite{51}, proposed  a heterogeneous 
149 cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal is to determined the 
150 energy efficiency as a function of performance per watt, the best tradeoff is done when the 
151 performance per watt function is maximized. In the work of Kia Ma et al.~\cite{49}, 
152 They developed a scheduling algorithm to distributed different workloads proportional 
153 to the computing power of the node to be executed on a CPU or a GPU, emphasize all tasks 
154 must be finished in the same time. 
155 Recently, Rong et al.~\cite{50}, Their study explain that a heterogeneous clusters enabled 
156 DVFS using GPUs and CPUs gave better energy and performance efficiency than other clusters 
157 composed of only CPUs. The CPUs-CPUs heterogeneous clusters consist of number of computing 
158 nodes  all of the type CPU. Our work in this paper can be classified to this type of the 
159 clusters. As an example of this works see  Naveen et al.~\cite{52} work, They developed a 
160 policy to dynamically assigned the frequency to a heterogeneous cluster. The goal is to 
161 minimizing a fixed metric of $energy*delay^2$. Where our proposed method is automatically 
162 optimized  the relation between the energy and the delay of the iterative applications. 
163 Other works such as Lizhe et al.~\cite{53}, their algorithm divided the executed tasks into 
164 two types: the critical and non critical tasks. The algorithm scaled down the frequency of 
165 the non critical tasks as function to the  amount of the slack and communication times that 
166 have with maximum of performance degradation percentage of 10\%. In our method there is no 
167 fixed bounds for performance degradation percentage and the bound is dynamically computed 
168 according to the energy and the performance tradeoff relation of the executed application. 
169 There are some approaches used a heterogeneous cluster composed from two different types 
170 of Intel and AMD processors such as~\cite{54} and \cite{55}, they predicated  both the energy 
171 and the performance for each frequency gear, then the algorithm selected the best gear that gave 
172 the best tradeoff. In contrast our algorithm works over a heterogeneous  platform composed of 
173 four different types of processors. Others approaches such as \cite{56} and \cite{57}, they 
174 are selected the best frequencies for a specified heterogeneous clusters offline using some 
175 heuristic methods. While our proposed algorithm works online during the execution time of 
176 iterative application. Greedy dynamic approach used by Chen et al.~\cite{58},  minimized 
177 the power consumption of a heterogeneous severs  with time/space complexity, this approach 
178 had considerable overhead. In our proposed scaling algorithm has very small overhead and 
179 it is works without any previous analysis for the application time complexity. 
180
181 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
182 \label{sec.exe}
183
184 % \JC{The whole subsection ``Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform'',
185 %   can be deleted if we need space, we can just say we are interested in this
186 %   paper in homogeneous clusters}
187
188 \subsection{The execution time of message passing distributed 
189                 iterative applications on a heterogeneous platform}
190
191 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
192 passing distributed iterative synchronous applications running over
193 heterogeneous platforms. We define a heterogeneous platform as a collection of
194 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
195 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
196 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
197 have the same network bandwidth and latency.
198
199 The  overall execution time  of a distributed iterative synchronous application 
200 over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and 
201 the communication time for every iteration on a node. However, due to the 
202 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur 
203 when fast nodes have to  wait, during synchronous communications, for  the slower 
204 nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter}). 
205 Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
206 task which have the highest computation time and no slack time.
207   
208  \begin{figure}[t]
209   \centering
210     \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
211   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
212   \label{fig:heter}
213 \end{figure}
214
215 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
216 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
217 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
218 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
219 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
220 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
221 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
222 as in EQ (\ref{eq:s}).
223 \begin{equation}
224   \label{eq:s}
225  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
226 \end{equation}
227  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
228  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
229  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
230  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
231  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
232  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
233  communications~\cite{17}. The communication time for a task is the summation of 
234  periods of time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
235  till the message is synchronously sent or received.
236
237 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
238 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
239 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
240 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
241 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
242 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
243 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
244 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
245 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
246 vector of scaling factors can be predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
247 \begin{equation}
248   \label{eq:perf}
249  \textit  T_\textit{new} = 
250  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm
251 \end{equation}
252 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first 
253 iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from 
254 the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
255 with scaling factor from each node  added to the communication time of the 
256 slowest node, it means  only the  communication time without any slack time. 
257 Therefore, we can consider the execution time of the iterative application is 
258 equal to the execution time of one iteration as in EQ(\ref{eq:perf}) multiplied 
259 by the number of iterations of that application.
260
261 This prediction model is based on our model for predicting the execution time of 
262 message passing distributed applications for homogeneous architectures~\cite{45}. 
263 The execution time prediction model is used in our method for optimizing both 
264 energy consumption and performance of iterative methods, which is presented in the 
265 following sections.
266
267
268 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
269 Many researchers~\cite{9,3,15,26} divide the power consumed by a processor into
270 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
271 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
272 computation times.  The dynamic power $P_{d}$ is related to the switching
273 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
274 operational frequency $F$, as shown in EQ(\ref{eq:pd}).
275 \begin{equation}
276   \label{eq:pd}
277   P_\textit{d} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
278 \end{equation}
279 The static power $P_{s}$ captures the leakage power as follows:
280 \begin{equation}
281   \label{eq:ps}
282    P_\textit{s}  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
283 \end{equation}
284 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
285 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
286 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
287 to execute a given program can be computed as:
288 \begin{equation}
289   \label{eq:eind}
290    E_\textit{ind} =  P_\textit{d} \cdot Tcp + P_\textit{s} \cdot T
291 \end{equation}
292 where $T$ is the execution time of the program, $T_{cp}$ is the computation
293 time and $T_{cp} \leq T$.  $T_{cp}$ may be equal to $T$ if there is no
294 communication and no slack time.
295
296 The main objective of DVFS operation is to
297 reduce the overall energy consumption~\cite{37}.  The operational frequency $F$
298 depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
299 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
300 voltage with respect to various frequency values in~\cite{3}.  The reduction
301 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
302 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
303 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
304 system's kernel to lower a core's frequency. we can calculate the new frequency 
305 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) as follow:
306 \begin{equation}
307   \label{eq:fnew}
308    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
309 \end{equation}
310 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following 
311 equation for dynamic power consumption:
312 \begin{multline}
313   \label{eq:pdnew}
314    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
315    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
316 \end{multline}
317 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
318 new frequency and the maximum frequency respectively.
319
320 According to EQ(\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
321 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{3}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
322 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
323 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
324 and is given by the following equation:
325 \begin{equation}
326   \label{eq:Edyn}
327    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
328 \end{equation}
329 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
330 and even when idle. As in~\cite{3,46}, we assume that the static power of a processor is constant 
331 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
332 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
333 According to the execution time model in EQ(\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
334 is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
335 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
336 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
337 \begin{equation}
338   \label{eq:Estatic}
339  E_\textit{s} = P_\textit{s} \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
340 \end{equation}
341
342 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and 
343 static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed 
344 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ 
345 noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed 
346 in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. 
347 The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times 
348 if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do 
349 not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency 
350 scaling factor and the dynamic power of each node as in EQ(\ref{eq:Edyn}), the static energy is 
351 computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. 
352 The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a 
353 heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies 
354 for each  processor.  It is computed as follows:
355 \begin{multline}
356   \label{eq:energy}
357  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
358  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
359   {MinTcm))}
360  \end{multline}
361
362 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
363 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
364 application and thus, increase the static energy because the execution time is
365 increased~\cite{36}. We can measure the overall energy consumption for the iterative 
366 application by measuring  the energy consumption for one iteration as in EQ(\ref{eq:energy}) 
367 multiplied by the number of iterations of that application.
368
369
370 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
371 \label{sec.compet}
372
373 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy 
374 efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced 
375 while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally 
376 decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic 
377 and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by 
378 scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption 
379 of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate 
380 frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor 
381 (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed 
382 (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not 
383 significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{45}, we  proposed a method 
384 that selects the optimal frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message 
385 passing iterative synchronous application while giving the best trade-off  between the energy 
386 consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
387 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not 
388 one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off 
389 between energy consumption and performance. 
390
391 The relation between the energy consumption and the execution time for an application is 
392 complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
393 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
394 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{17}.  Moreover, they are
395 not measured using the same metric.  To solve this problem, we normalize the
396 execution time by computing the ratio between the new execution time (after 
397 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum 
398 frequency for all nodes,) as follows:
399 \begin{multline}
400   \label{eq:pnorm}
401   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
402        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
403            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
404 \end{multline}
405
406
407 In the same way, we normalize the energy by computing the ratio between the consumed energy 
408 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
409 \begin{multline}
410   \label{eq:enorm}
411   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
412   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
413  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
414  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
415 \end{multline} 
416 Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}).
417
418  While the main 
419 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
420 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
421 to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the vector  of frequency
422 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
423 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
424 reduction with minimum execution time reduction.  
425
426  
427   
428 Our solution for this problem is to make the optimization process for energy and 
429 execution time follow the same direction.  Therefore, we inverse the equation of the 
430 normalized execution time which gives the normalized performance equation, as follows:
431 \begin{multline}
432   \label{eq:pnorm_inv}
433   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
434           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
435             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
436 \end{multline}
437
438
439 \begin{figure}
440   \centering
441   \subfloat[Homogeneous platform]{%
442     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
443   \qquad%
444   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
445     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
446   \label{fig:rel}
447   \caption{The energy and performance relation}
448 \end{figure}
449
450 Then, we can model our objective function as finding the maximum distance
451 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the  performance
452 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
453 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
454 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}). Then our objective
455 function has the following form:
456 \begin{equation}
457   \label{eq:max}
458   Max Dist = 
459   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
460       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
461        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
462 \end{equation}
463 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
464 Then we can select the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  
465 Our objective function can work with any energy model or any power values for each node 
466 (static and dynamic powers). However, the most energy reduction gain can be achieved when 
467 the energy curve has a convex form as shown in~\cite{15,3,19}.
468
469 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
470 \label{sec.optim}
471
472 In this section we  propose algorithm~(\ref{HSA}) which selects the frequency scaling factors 
473 vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing 
474 the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous 
475 platform. It works online during the execution time of the iterative message passing program.  
476 It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the 
477 communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first 
478 iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective 
479 function EQ(\ref{eq:max}). The program apply DVFS operations to change the frequencies of the CPUs 
480 according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution 
481 of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called 
482 in the iterative MPI program.
483
484 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message 
485 passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their 
486 computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). 
487 These periods are called idle or slack times. 
488 Our algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the 
489 frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase 
490 the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of 
491 fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely 
492 proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency 
493 scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the 
494 computation time of the node $i$ as follows:
495 \begin{equation}
496   \label{eq:Scp}
497  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
498 \end{equation}
499 Using the initial  frequency scaling factors computed in EQ(\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
500 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
501 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
502 \begin{equation}
503   \label{eq:Fint}
504  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
505 \end{equation}
506 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed 
507 initial frequency is replaced by the nearest available frequency. In  figure (\ref{fig:st_freq}), 
508 the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster 
509 nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new 
510 frequencies are colored in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered 
511 as a higher bound for the search space of the optimal vector of frequencies because selecting frequency 
512 scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and 
513 it will increase its overall energy consumption. Therefore the algorithm that selects the frequency 
514 scaling factors starts the search method from these initial frequencies and takes a downward search direction 
515 toward lower frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all 
516 nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select 
517 the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node 
518 according to EQ(\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  
519 all other nodes by one gear.
520 The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. 
521 The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective 
522 function EQ(\ref{eq:max}).
523
524 The plots~(\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}) illustrate the normalized performance and consumed energy for an 
525 application running on a homogeneous platform and a heterogeneous platform respectively while increasing the 
526 scaling factors. It can be noticed that in a homogeneous platform the search for the optimal scaling factor 
527 should be started from the maximum frequency because the performance and the consumed energy is decreased since  
528 the beginning of the plot. On the other hand, in  the heterogeneous platform the performance is  maintained at 
529 the beginning of the plot even if the frequencies of the faster nodes are decreased until the scaled down nodes 
530 have computing powers lower than the slowest node. In other words, until they reach the higher bound. It can 
531 also be noticed that the higher the difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger 
532 the maximum distance between the energy curve and the performance curve is while varying the scaling factors 
533 which results in bigger energy savings. 
534 \begin{figure}[t]
535   \centering
536     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
537   \caption{Selecting the initial frequencies}
538   \label{fig:st_freq}
539 \end{figure}
540
541
542
543
544 \begin{algorithm}
545   \begin{algorithmic}[1]
546     % \footnotesize
547     \Require ~
548     \begin{description}
549     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
550     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
551     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
552     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
553     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
554     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
555     \end{description}
556     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
557
558     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
559     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
560     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
561     \If{(not the first frequency)}
562           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
563     \EndIf 
564     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
565     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
566     \State $Dist \gets 0$
567     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
568     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
569         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
570         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
571         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
572         \EndIf
573        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
574        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
575                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
576        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
577        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
578       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
579         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
580         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
581       \EndIf
582     \EndWhile
583     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
584   \end{algorithmic}
585   \caption{Heterogeneous scaling algorithm}
586   \label{HSA}
587 \end{algorithm}
588
589 \begin{algorithm}
590   \begin{algorithmic}[1]
591     % \footnotesize
592     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
593       \State Computations section.
594       \State Communications section.
595       \If {$(k=1)$}
596         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
597                communication from each node.
598         \State Call algorithm from Figure~\ref{HSA} with these times.
599         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
600                returned optimal scaling factors.
601         \State Set the new frequencies to nodes.
602       \EndIf
603     \EndFor
604   \end{algorithmic}
605   \caption{DVFS algorithm}
606   \label{dvfs}
607 \end{algorithm}
608
609 \section{Experimental results}
610 \label{sec.expe}
611 To evaluate the efficiency and the overall energy consumption reduction of algorithm~(\ref{HSA}), 
612 it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3  \cite{44}. The experiments were executed 
613 on the simulator SimGrid/SMPI v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile} which offers 
614 easy tools to create a heterogeneous platform and run message passing applications over it. The 
615 heterogeneous platform that was used in the experiments, had one core per node because just one 
616 process was executed per node. The heterogeneous platform  was composed of four types of nodes. 
617 Each type of nodes had different characteristics such as the maximum CPU frequency, the number of
618 available frequencies and the computational power, see table (\ref{table:platform}). The characteristics 
619 of these different types of  nodes are inspired   from the specifications of real Intel processors. 
620 The heterogeneous platform had up to 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, 
621 for example if  a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the constructors 
622 of CPUs do not specify the dynamic and the static power of their CPUs, for each type of node they were 
623 chosen proportionally to  its computing power (FLOPS).  In the initial heterogeneous platform,  while computing 
624 with highest frequency, each node  consumed power proportional to its computing power which 80\% of it was 
625 dynamic power and the rest was 20\% for the static power, the same assumption  was made in \cite{45,3}. 
626 Finally, These nodes were connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
627
628
629 \begin{table}[htb]
630   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
631   % title of Table
632   \centering
633   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
634     \hline
635     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
636     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
637                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
638     \hline
639     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~w         &4~w    \\
640                   &           &          &              &                &              &  \\
641     \hline
642     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~w         &5~w    \\
643                   &           &          &              &                &              &  \\
644     \hline
645     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~w         &6~w    \\
646                   &           &          &              &                &              &  \\
647     \hline
648     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~w         &7~w    \\
649                   &           &          &              &                &              &  \\
650     \hline
651   \end{tabular}
652   \label{table:platform}
653 \end{table}
654
655  
656 %\subsection{Performance prediction verification}
657
658
659 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
660 \label{sec.res}
661
662
663 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) 
664 and the benchmarks were executed with the three classes: A,B and C. However, due to the lack of space in 
665 this paper, only the results of the biggest class, C, are presented while being run on different number 
666 of nodes, ranging  from 4 to 128 or 144 nodes depending on the benchmark being executed. Indeed, the 
667 benchmarks CG, MG, LU, EP and FT should be executed on $1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes. 
668 The other benchmarks such as BT and SP should be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
669
670  
671  
672 \begin{table}[htb]
673   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
674   % title of Table
675   \centering
676   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
677     \hline
678     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
679     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
680     \hline
681     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
682     \hline 
683     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
684    \hline
685     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
686    \hline
687     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
688     \hline
689     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
690    \hline
691     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
692    \hline
693     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
694 \hline 
695   \end{tabular}
696   \label{table:res_4n}
697 \end{table}
698
699 \begin{table}[htb]
700   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
701   % title of Table
702   \centering
703   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
704     \hline
705     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
706     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
707     \hline
708     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
709     \hline 
710     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
711    \hline
712     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
713    \hline
714     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
715     \hline
716     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
717    \hline
718     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
719    \hline
720     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
721 \hline 
722   \end{tabular}
723   \label{table:res_8n}
724 \end{table}
725
726 \begin{table}[htb]
727   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
728   % title of Table
729   \centering
730   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
731     \hline
732     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
733     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
734     \hline
735     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
736     \hline 
737     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
738    \hline
739     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
740    \hline
741     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
742     \hline
743     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
744    \hline
745     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
746    \hline
747     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
748 \hline 
749   \end{tabular}
750   \label{table:res_16n}
751 \end{table}
752
753 \begin{table}[htb]
754   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
755   % title of Table
756   \centering
757   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
758     \hline
759     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
760     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
761     \hline
762     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
763     \hline 
764     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
765    \hline
766     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
767    \hline
768     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
769     \hline
770     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
771    \hline
772     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
773    \hline
774     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
775 \hline 
776   \end{tabular}
777   \label{table:res_32n}
778 \end{table}
779
780 \begin{table}[htb]
781   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
782   % title of Table
783   \centering
784   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
785     \hline
786     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
787     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
788     \hline
789     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
790     \hline 
791     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
792    \hline
793     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
794    \hline
795     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
796     \hline
797     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
798    \hline
799     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
800    \hline
801     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
802 \hline 
803   \end{tabular}
804   \label{table:res_64n}
805 \end{table}
806
807
808 \begin{table}[htb]
809   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
810   % title of Table
811   \centering
812   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
813     \hline
814     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
815     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
816     \hline
817     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
818     \hline 
819     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
820    \hline
821     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
822    \hline
823     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
824     \hline
825     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
826    \hline
827     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
828    \hline
829     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
830 \hline 
831   \end{tabular}
832   \label{table:res_128n}
833 \end{table}
834 The overall energy consumption was computed for each instance according to the energy 
835 consumption  model EQ(\ref{eq:energy}), with and without applying the algorithm. The 
836 execution time was also measured for all these experiments. Then, the energy saving 
837 and performance degradation percentages were computed for each instance.  
838 The results are presented in tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, 
839 \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). All these results are the 
840 average values from many experiments for  energy savings and performance degradation.
841
842 The tables  show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks on different 
843 number of nodes. The experiments show that the algorithm reduce significantly the energy 
844 consumption (up to 35\%) and tries to limit the performance degradation. They also show that 
845 the  energy saving percentage is decreased  when the number of the computing nodes is increased. 
846 This reduction is due to the increase of the communication times compared to the execution times 
847 when the benchmarks are run over a high number of nodes. Indeed, the benchmarks with the same class, C, 
848 are executed on different number of nodes, so the computation required for each iteration is divided 
849 by the number of computing nodes.   On the other hand, more communications are required when increasing 
850 the number of nodes so the static energy is increased linearly according to the communication time and 
851 the dynamic power is less relevant in the overall energy consumption. Therefore, reducing the frequency 
852 with algorithm~(\ref{HSA}) have less effect in reducing the overall energy savings. It can also be 
853 noticed that for the benchmarks EP and SP that contain little or no communications,  the energy savings 
854 are not significantly affected with the high number of nodes. No experiments were conducted using bigger 
855 classes such as D, because they require a lot of memory(more than 64GB) when being executed by the simulator 
856 on one machine. The maximum distance between the normalized energy curve and the normalized performance 
857 for each instance is also shown in the result tables. It is decreased in the same way as the energy 
858 saving percentage. The tables also show that the performance degradation percentage is not significantly 
859 increased when the number of computing nodes is increased because the computation times are small when 
860 compared to the communication times.  
861
862
863  
864 \begin{figure}
865   \centering
866   \subfloat[Energy saving]{%
867     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
868   \quad%
869   \subfloat[Performance degradation ]{%
870     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
871   \label{fig:avg}
872   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
873 \end{figure}
874
875 Plots (\ref{fig:energy} and \ref{fig:per_deg}) present the energy saving and performance degradation 
876 respectively for all the benchmarks according to the number of used nodes. As shown in the first plot, 
877 the energy saving percentages of the benchmarks MG, LU, BT and FT are decreased linearly  when the the 
878 number of nodes is increased. While for the  EP and SP benchmarks, the energy saving percentage is not 
879 affected by the increase of the number of computing nodes, because in these benchmarks there are no 
880 communications. Finally, the energy saving of the GC benchmark  is significantly decreased when the number 
881 of nodes is increased because  this benchmark has more communications than the others. The second plot 
882 shows that the performance degradation percentages of most of the benchmarks are decreased when they 
883 run on a big number of nodes because they spend more time communicating than computing, thus, scaling 
884 down the frequencies of some nodes have less effect on the performance. 
885
886
887
888
889 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
890
891 The results of the previous section were obtained while using processors that consume during computation 
892 an overall power which is 80\% composed of  dynamic power and 20\% of static power. In this section, 
893 these ratios are changed and two new power scenarios are considered in order to evaluate how the proposed  
894 algorithm adapts itself according to the static and dynamic power values.  The two new power scenarios 
895 are the following: 
896
897 \begin{itemize}
898 \item 70\% dynamic power  and 30\% static power
899 \item 90\% dynamic power  and 10\% static power
900 \end{itemize}
901
902 The NAS parallel benchmarks were executed again over processors that follow the the new power scenarios. 
903 The class C of each benchmark was run over 8 or 9 nodes and the results are presented in  tables 
904 (\ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}). These tables show that the energy saving percentage of the 70\%-30\% 
905 scenario is less for all benchmarks compared to the energy saving of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in the latter 
906 more dynamic power is consumed when nodes are running on their maximum frequencies, thus, scaling down the frequency 
907 of the nodes results in higher energy savings than in the 70\%-30\% scenario. On the other hand,  the performance 
908 degradation percentage is less in the 70\%-30\% scenario  compared to the 90\%-10\%  scenario. This is due to the 
909 higher static power percentage in the first scenario which makes it more relevant in the overall consumed energy. 
910 Indeed, the static energy is related to the execution time and if the performance is  degraded the total consumed 
911 static energy is directly increased. Therefore, the proposed algorithm do not scales down much the frequencies of the 
912 nodes  in order to limit the increase of the execution time and thus limiting the effect of the consumed static energy .
913
914 The two new power scenarios are compared to the old one in figure (\ref{fig:sen_comp}). It shows the average of 
915 the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks of class C running on 8 or 9 nodes. 
916 The comparison shows that  the energy saving ratio is proportional to the dynamic power ratio: it is increased 
917 when applying the  90\%-10\% scenario because at maximum frequency the dynamic  energy is the the most relevant 
918 in the overall consumed energy and can be reduced by lowering the frequency of some processors. On the other hand, 
919 the energy saving is decreased when  the 70\%-30\% scenario is used because the dynamic  energy is less relevant in 
920 the overall consumed energy and lowering the frequency do not returns big energy savings.
921 Moreover, the average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power 
922 (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). Since the proposed algorithm optimizes the energy consumption 
923 when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selects bigger frequency scaling factors that result in 
924 more energy saving but less performance, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The opposite happens 
925 when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects  smaller scaling values which 
926 results in less energy saving but less performance degradation. 
927
928
929  \begin{table}[htb]
930   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
931   % title of Table
932   \centering
933   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
934     \hline
935     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
936     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
937     \hline
938     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
939     \hline 
940     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
941    \hline
942     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
943    \hline
944     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
945     \hline
946     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
947    \hline
948     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
949    \hline
950     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
951 \hline 
952   \end{tabular}
953   \label{table:res_s1}
954 \end{table}
955
956
957
958 \begin{table}[htb]
959   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
960   % title of Table
961   \centering
962   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
963     \hline
964     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
965     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
966     \hline
967     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
968     \hline 
969     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
970    \hline
971     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
972    \hline
973     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
974     \hline
975     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
976    \hline
977     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
978    \hline
979     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
980 \hline 
981   \end{tabular}
982   \label{table:res_s2}
983 \end{table}
984
985
986 \begin{figure}
987   \centering
988   \subfloat[Comparison the average of the results on 8 nodes]{%
989     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
990   \quad%
991   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
992     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
993   \label{fig:comp}
994   \caption{The comparison of the three power scenarios}
995 \end{figure}  
996
997
998
999 \subsection{The verifications of the proposed method}
1000 \label{sec.verif}
1001 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
1002 EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model computed by EQ(\ref{eq:energy}). 
1003 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
1004 linearly related the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
1005 the work presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
1006 execution time was compared to  the real execution time over Simgrid for all  the NAS parallel benchmarks 
1007 running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
1008 the maximum normalized difference between  the predicted execution time  and the real execution time is equal 
1009 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
1010
1011 Since  the proposed algorithm is not an exact method and do not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
1012 in the search space and to prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
1013 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
1014 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
1015 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
1016 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
1017 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 
1018 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
1019 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
1020 vector of frequency scaling factors that gives the results of the section (\ref{sec.res}).
1021
1022 \section{Conclusion}
1023 \label{sec.concl}
1024
1025
1026 \section*{Acknowledgment}
1027
1028
1029 % trigger a \newpage just before the given reference
1030 % number - used to balance the columns on the last page
1031 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1032 % the document is modified later
1033 %\IEEEtriggeratref{15}
1034
1035 \bibliographystyle{IEEEtran}
1036 \bibliography{IEEEabrv,my_reference}
1037 \end{document}
1038
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