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100
101
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103
104 \begin{document}
105
106 \begin{frontmatter}
107
108
109
110 \title{Energy Consumption Reduction with DVFS for Message \\
111          Passing Iterative Applications on \\
112                     Grid Architecture} 
113   
114
115
116
117 \author{Ahmed Fanfakh,
118         Jean-Claude Charr,
119         Raphaël Couturier,
120         and Arnaud Giersch}
121
122 \address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comté\\
123     IUT de Belfort-Montbéliard,
124     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
125     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
126     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
127     Email: \email{{ahmed.fanfakh_badri_muslim,jean-claude.charr,raphael.couturier,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
128    }
129
130 \begin{abstract}
131
132   In recent years, green computing   has  become an important topic 
133   in the supercomputing research domain. However, the 
134   computing platforms are still  consuming more and
135 more energy due to the increasing number of nodes composing
136 them. To minimize the operating costs of these platforms many
137 techniques have been used. Dynamic voltage and frequency
138 scaling (DVFS) is one of them. It can be used to reduce the power consumption of the CPU 
139   while computing, by lowering its frequency. However, lowering the frequency of 
140   a CPU may increase the execution time of an application running on that 
141   processor. Therefore, the frequency that gives the best trade-off between 
142   the energy consumption and the performance of an application must be selected. 
143   In this paper, a new online frequency selecting algorithm for grids, composed of heterogeneous clusters, is presented.  
144   It selects the frequencies and tries to give the best
145   trade-off between energy saving and performance degradation, for each node
146   computing the message passing iterative application. 
147   The algorithm has a small
148   overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model
149   for message passing iterative applications running on a  grid. 
150   The proposed algorithm is evaluated on a real grid, the grid'5000 platform, while
151   running the NAS parallel benchmarks.  The experiments on 16 nodes, distributed on three clusters, show that it reduces  on average the
152   energy consumption  by \np[\%]{30} while  the performance  is on average only degraded
153    by \np[\%]{3.2}. Finally, the algorithm is 
154   compared to an existing method. The comparison results show that it outperforms the
155   latter in terms of energy consumption reduction and performance.
156 \end{abstract}
157
158
159 \begin{keyword}
160
161 Dynamic voltage and frequency scaling \sep Grid computing\sep Green computing and  frequency scaling online algorithm.
162
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164
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166 %% or \MSC[2008] code \sep code (2000 is the default)
167
168 \end{keyword}
169
170 \end{frontmatter}
171
172
173
174 \section{Introduction}
175 \label{sec.intro}
176 The need for more computing power is continually increasing. To partially
177 satisfy this need, most supercomputers constructors just put more computing
178 nodes in their platform. The resulting platforms may achieve higher floating
179 point operations per second (FLOPS), but the energy consumption and the heat
180 dissipation are also increased.  As an example, the Chinese supercomputer
181 Tianhe-2 had the highest FLOPS in June 2015  according to the Top500 list
182 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was also the most power hungry
183 platform with its over 3 million cores consuming around 17.8 megawatts.
184 Moreover, according to the U.S.  annual energy outlook 2015
185 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2015}, the price of energy for 1 megawatt-hour
186 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
187 the Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 million each year.  The
188 computing platforms must be more energy efficient and offer the highest number
189 of FLOPS per watt possible, such as the Shoubu-ExaScaler from RIKEN
190 which became the top of the Green500 list in June 2015 \cite{Green500_List}.
191 This heterogeneous platform executes more than 7 GFLOPS per watt while consuming
192 50.32 kilowatts.
193
194 Besides platform improvements, there are many software and hardware techniques
195 to lower the energy consumption of these platforms, such as scheduling, DVFS,
196 \dots{} DVFS is a widely used process to reduce the energy consumption of a
197 processor by lowering its frequency
198 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
199 the number of FLOPS executed by the processor which may increase the execution
200 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
201 different optimization strategies to select the frequency that gives the best
202 trade-off between the energy reduction and performance degradation ratio. In
203 \cite{Our_first_paper} and \cite{pdsec2015} , a frequency selecting algorithm was proposed to reduce
204 the energy consumption of message passing iterative applications running over
205 homogeneous  and heterogeneous clusters respectively.  
206 The results of the experiments showed significant energy
207 consumption reductions. All the experimental results were conducted over the
208 Simgrid simulator \cite{SimGrid}, which offers easy tools to create homogeneous and heterogeneous platforms and runs message passing parallel applications over them. In this paper, a new frequency selecting algorithm,
209 adapted to  grid platforms composed of heterogeneous clusters, is presented. It is applied to the NAS parallel benchmarks and evaluated over a real testbed, 
210 the grid'5000 platform \cite{grid5000}. It selects  for a grid platform running a message passing iterative
211 application the vector of
212 frequencies  that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
213 minimum performance degradation ratios. The algorithm has a very small overhead,
214 works online and does not need any training or profiling.
215
216
217 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
218 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
219 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents
220 an energy model that predicts the energy consumption of an application running
221 over a grid platform. Section~\ref{sec.compet} presents the
222 energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
223 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
224 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequencies selecting algorithm.
225 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on the 
226 NAS parallel benchmarks and executing them on the grid'5000 testbed. 
227 It also evaluates the algorithm over multi-cores per node architectures and over three different power scenarios. Moreover, it shows the
228 comparison results between the proposed method and an existing method.  Finally,
229 in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
230 \section{Related works}
231 \label{sec.relwork}
232
233 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
234 the frequency of the CPU while computing, in order to reduce the energy
235 consumption of the processor. DVFS is also allowed in GPUs to achieve the same
236 goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and may
237 degrade the performance of the application running on that processor, especially
238 if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a
239 processor to satisfy some objectives, while taking into account all the
240 constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different
241 strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that
242 compute the new frequency while executing the application, such
243 as~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}.
244 Others used offline methods that may need to run the application and profile
245 it before selecting the new frequency, such
246 as~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}.
247 The methods could be heuristics, exact or brute force methods that satisfy
248 varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be
249 adapted to the execution's environment and the type of the application such as
250 sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous
251 platform, synchronous or asynchronous application, \dots{}
252
253 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing
254 iterative synchronous applications running over heterogeneous grid platforms.  Some
255 works have already been done for such platforms and they can be classified into
256 two types of heterogeneous platforms:
257 \begin{itemize}
258 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
259 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
260 \end{itemize}
261
262 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are
263 executed on the GPUs and the rest are executed on the CPUs.  Luley et
264 al.~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed a
265 heterogeneous cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main
266 goal was to maximize the energy efficiency of the platform during computation by
267 maximizing the number of FLOPS per watt generated.
268 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et
269 al. developed a scheduling algorithm that distributes workloads proportional to
270 the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks
271 must be completed at the same time.  In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU},
272 Rong et al. showed that a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables
273 DVFS gave better energy and performance efficiency than other clusters only
274 composed of CPUs.
275
276 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with
277 heterogeneous CPUs.  Many methods were conceived to reduce the energy
278 consumption of this type of platform.  Naveen et
279 al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} developed a method that
280 minimizes the value of $\mathit{energy}\times \mathit{delay}^2$ (the delay is
281 the sum of slack times that happen during synchronous communications) by
282 dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster.
283 Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed an
284 algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and non
285 critical tasks. The algorithm scales down the frequency of non critical tasks
286 proportionally to their slack and communication times while limiting the
287 performance degradation percentage to less than \np[\%]{10}.
288 In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed a
289 heterogeneous cluster composed of two types of Intel and AMD processors. They
290 use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
291 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and
292 \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, the best
293 frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using
294 some heuristic.  Chen et
295 al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic
296 programming approach to minimize the power consumption of heterogeneous servers
297 while respecting given time constraints.  This approach had considerable
298 overhead.  In contrast to the above described papers, this paper presents the
299 following contributions :
300 \begin{enumerate}
301 \item two new energy and performance models for message passing iterative
302   synchronous applications running over a heterogeneous grid platform. Both models
303   take into account communication and slack times. The models can predict the
304   required energy and the execution time of the application.
305
306 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous grid
307   platforms. The algorithm has a very small overhead and does not need any
308   training or profiling. It uses a new optimization function which
309   simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption
310   of a message passing iterative synchronous application.
311
312 \end{enumerate}
313
314
315
316 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous grid architecture}
317 \label{sec.exe}
318
319 \subsection{The execution time of message passing distributed iterative
320   applications on a heterogeneous platform}
321
322 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
323 passing distributed iterative synchronous applications running over
324 heterogeneous grid platforms. A heterogeneous grid platform could be defined as a collection of
325 heterogeneous computing clusters interconnected via a long distance network which has lower bandwidth 
326 and higher latency than the local networks of the clusters. Each computing cluster in the grid is composed of homogeneous nodes that are connected together via high speed network. Therefore, each cluster has different characteristics such as computing power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, network bandwidth and latency.
327
328 \begin{figure}[!t]
329   \centering
330   \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
331   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
332   \label{fig:heter}
333 \end{figure}
334
335 The overall execution time of a distributed iterative synchronous application 
336 over a heterogeneous grid consists of the sum of the computation time and 
337 the communication time for every iteration on a node. However, due to the
338 heterogeneous computation power of the computing clusters, slack times may occur
339 when fast nodes have to wait, during synchronous communications, for the slower
340 nodes to finish their computations (see Figure~\ref{fig:heter}).  Therefore, the
341 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task 
342 which has the highest computation time and no slack time.
343
344 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in
345 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling
346 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU
347 and consequently its computing power, the execution time of a program running
348 over that scaled down processor may increase, especially if the program is
349 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling
350 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU
351 as in (\ref{eq:s}).
352 \begin{equation}
353   \label{eq:s}
354   S = \frac{\Fmax}{\Fnew}
355 \end{equation}
356 The execution time of a compute bound sequential program is linearly
357 proportional to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand, message
358 passing distributed applications consist of two parts: computation and
359 communication.  The execution time of the computation part is linearly
360 proportional to the frequency scaling factor $S$ but the communication time is
361 not affected by the scaling factor because the processors involved remain idle
362 during the communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  The
363 communication time for a task is the summation of periods of time that begin
364 with an MPI call for sending or receiving a message until the message is
365 synchronously sent or received.
366
367 Since in a heterogeneous grid each cluster has different characteristics,
368 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on the nodes 
369 of these clusters, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
370 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ where $S_{ij}$ is the scaling factor of processor $j$ in cluster $i$ . To
371 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
372 applications running over a heterogeneous grid, for different vectors of
373 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
374 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
375 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
376 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
377 \begin{equation}
378   \label{eq:perf}
379   \Tnew = \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\TcpOld[ij]} \cdot S_{ij}) 
380   +\mathop{\min_{j=1,\dots,M}}  (\Tcm[hj])
381 \end{equation}
382
383 where $N$ is the number of  clusters in the grid, $M$ is the number of  nodes in
384 each cluster, $\TcpOld[ij]$ is the computation time of processor $j$ in the cluster $i$ 
385 and $\Tcm[hj]$ is the communication time of processor $j$ in the cluster $h$ during the 
386 first  iteration. the execution time for one iteration is equal to the sum of the maximum computation time for all nodes with the new scaling factors 
387  and the slowest communication time without slack time during one iteration. 
388 The latter is equal to the  communication time of the slowest node in the slowest cluster $h$.
389 It means only the communication time without any slack time is taken into account.  
390 Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
391 the execution time of one iteration as in (\ref{eq:perf}) multiplied by the
392 number of iterations of that application.
393
394 This prediction model is developed from the model to predict the execution time
395 of message passing distributed applications for homogeneous and heterogeneous clusters
396 ~\cite{Our_first_paper,pdsec2015}.  The execution time prediction model is
397 used in the method to optimize both the energy consumption and the performance
398 of iterative methods, which is presented in the following sections.
399
400
401 \subsection{Energy model for heterogeneous grid platform}
402
403 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
404   Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
405   Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by
406 a processor into two power metrics: the static and the dynamic power.  While the
407 first one is consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is
408 only consumed during computation times.  The dynamic power $\Pd$ is related to
409 the switching activity $\alpha$, load capacitance $\CL$, the supply voltage $V$
410 and operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
411 \begin{equation}
412   \label{eq:pd}
413   \Pd = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot F
414 \end{equation}
415 The static power $\Ps$ captures the leakage power as follows:
416 \begin{equation}
417   \label{eq:ps}
418    \Ps  = V \cdot \Ntrans \cdot \Kdesign \cdot \Ileak
419 \end{equation}
420 where V is the supply voltage, $\Ntrans$ is the number of transistors,
421 $\Kdesign$ is a design dependent parameter and $\Ileak$ is a
422 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
423 to execute a given program can be computed as:
424 \begin{equation}
425   \label{eq:eind}
426   \Eind =  \Pd \cdot \Tcp + \Ps \cdot T
427 \end{equation}
428 where $T$ is the execution time of the program, $\Tcp$ is the computation
429 time and $\Tcp \le T$.  $\Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
430 communication and no slack time.
431
432 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy
433 consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  The operational
434 frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot
435 F$ with some constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the
436 dynamic voltage with respect to various frequency values
437 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction process of the
438 frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the ratio between
439 the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).  The CPU governors are
440 power schemes supplied by the operating system's kernel to lower a core's
441 frequency. The new frequency $\Fnew$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as
442 follows:
443 \begin{equation}
444   \label{eq:fnew}
445    \Fnew = S^{-1} \cdot \Fmax
446 \end{equation}
447 Replacing $\Fnew$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following
448 equation for dynamic power consumption:
449 \begin{multline}
450   \label{eq:pdnew}
451    \PdNew = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fnew = \alpha \cdot \CL \cdot \beta^2 \cdot \Fnew^3 \\
452    {} = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fmax \cdot S^{-3} = \PdOld \cdot S^{-3}
453 \end{multline}
454 where $\PdNew$  and $\PdOld$ are the  dynamic power consumed with the
455 new frequency and the maximum frequency respectively.
456
457 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of
458 $S^{-3}$ when reducing the frequency by a factor of
459 $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is
460 proportional to the frequency of a CPU, the computation time is increased
461 proportionally to $S$.  The new dynamic energy is the dynamic power multiplied
462 by the new time of computation and is given by the following equation:
463 \begin{equation}
464   \label{eq:Edyn}
465    \EdNew = \PdOld \cdot S^{-3} \cdot (\Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot \PdOld \cdot  \Tcp
466 \end{equation}
467 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed
468 during computation and even when idle. As
469 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling},
470 the static power of a processor is considered as constant during idle and
471 computation periods, and for all its available frequencies.  The static energy
472 is the static power multiplied by the execution time of the program.  According
473 to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the
474 program is the sum of the computation and the communication times. The
475 computation time is linearly related to the frequency scaling factor, while this
476 scaling factor does not affect the communication time.  The static energy of a
477 processor after scaling its frequency is computed as follows:
478 \begin{equation}
479   \label{eq:Estatic}
480   \Es = \Ps \cdot (\Tcp \cdot S  + \Tcm)
481 \end{equation}
482
483 In the considered heterogeneous grid platform, each node $j$ in cluster $i$ may have
484 different dynamic and static powers from the nodes of the other clusters, 
485 noted as $\Pd[ij]$ and $\Ps[ij]$ respectively.  Therefore, even if the distributed 
486 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $j$ 
487 in cluster $i$ noted $\Tcp[ij]$ may be different and different frequency scaling factors may be
488 computed in order to decrease the overall energy consumption of the application
489 and reduce slack times.  The communication time of a processor $j$ in cluster $i$ is noted as
490 $\Tcm[ij]$ and could contain slack times when communicating with slower nodes,
491 see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore, all nodes do not have equal
492 communication times. While the dynamic energy is computed according to the
493 frequency scaling factor and the dynamic power of each node as in
494 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed as the sum of the execution time
495 of one iteration multiplied by the static power of each processor.  The overall
496 energy consumption of a message passing distributed application executed over a
497 heterogeneous grid platform during one iteration is the summation of all dynamic and
498 static energies for $M$ processors in $N$ clusters.  It is computed as follows:
499 \begin{multline}
500   \label{eq:energy}
501  E = \sum_{i=1}^{N} \sum_{i=1}^{M} {(S_{ij}^{-2} \cdot \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])} +  
502  \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot {} \\
503   (\mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\Tcp[ij]} \cdot S_{ij}) 
504   +\mathop{\min_{j=1,\dots M}} (\Tcm[hj]) ))
505 \end{multline}
506
507
508 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of scaling
509 factors $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ may degrade the performance of the application
510 and thus, increase the static energy because the execution time is
511 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption
512 for the iterative application can be measured by measuring the energy
513 consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) multiplied by the number
514 of iterations of that application.
515
516 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
517 \label{sec.compet}
518
519 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
520 energy efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic
521 power is reduced while scaling down the frequency of a processor, its
522 computation power is proportionally decreased. Hence, the execution time might
523 be drastically increased and during that time, dynamic and static powers are
524 being consumed.  Therefore, it might cancel any gains achieved by scaling down
525 the frequency of all nodes to the minimum and the overall energy consumption of
526 the application might not be the optimal one.  It is not trivial to select the
527 appropriate frequency scaling factor for each processor while considering the
528 characteristics of each processor (computation power, range of frequencies,
529 dynamic and static powers) and the task executed (computation/communication
530 ratio). The aim being to reduce the overall energy consumption and to avoid
531 increasing significantly the execution time.
532 In our previous
533 works, \cite{Our_first_paper} and \cite{pdsec2015}, two methods that select the optimal
534 frequency scaling factors for a homogeneous and a heterogeneous cluster respectively, were proposed. 
535 Both methods selects the frequencies that gives the best tradeoff between 
536 energy consumption reduction and performance for  message passing
537 iterative synchronous applications.   In this work we
538 are interested in grids that are composed of heterogeneous clusters were the nodes have different characteristics such  as  dynamic power, static power, computation power, frequencies range, network latency and bandwidth. 
539 Due to the
540 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should be selected
541 and it must give the best trade-off between energy consumption and performance.
542
543 The relation between the energy consumption and the execution time for an
544 application is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the
545 execution time and the scaling factor, the relation between the energy and the
546 frequency scaling factors is nonlinear, for more details refer
547 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  Moreover, these relations
548 are not measured using the same metric.  To solve this problem, the execution
549 time is normalized by computing the ratio between the new execution time (after
550 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with
551 maximum frequency for all nodes) as follows:
552 \begin{equation}
553   \label{eq:pnorm}
554   \Pnorm = \frac{\Tnew}{\Told}                 
555 \end{equation}
556
557
558 Where $Tnew$ is computed as in (\ref{eq:perf}) and $Told$ is computed as in (\ref{eq:told})
559 \begin{equation}
560   \label{eq:told}
561    \Told = \mathop{\max_{i=1,2,\dots,N}}_{j=1,2,\dots,M} (\Tcp[ij]+\Tcm[ij])             
562 \end{equation}
563 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the
564 consumed energy while scaling down the frequency and the consumed energy with
565 maximum frequency for all  nodes:
566 \begin{equation}
567   \label{eq:enorm}
568   \Enorm = \frac{\Ereduced}{\Eoriginal} 
569 \end{equation}
570
571 Where $\Ereduced$  is computed using (\ref{eq:energy}) and $\Eoriginal$ is 
572 computed as in (\ref{eq:eorginal}).
573
574
575 \begin{equation}
576   \label{eq:eorginal}
577     \Eoriginal = \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} ( \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])  + 
578      \mathop{\sum_{i=1}^{N}} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot \Told)       
579 \end{equation}
580
581 While the main goal is to optimize the energy and execution time at the same
582 time, the normalized energy and execution time curves do not evolve (increase/decrease) in the same way. 
583 According to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the
584 vector of frequency scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy
585 and the execution time simultaneously.  But the main objective is to produce
586 maximum energy reduction with minimum execution time reduction.
587
588 This problem can be solved by making the optimization process for energy and
589 execution time follow the same evolution according to the vector of scaling factors
590 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$. Therefore, the equation of the
591 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance
592 equation, as follows:
593 \begin{equation}
594   \label{eq:pnorm_inv}
595   \Pnorm = \frac{\Told}{\Tnew}          
596 \end{equation}
597
598 \begin{figure}
599   \centering
600   \subfloat[Homogeneous cluster]{%
601     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}} \hspace{0.4cm}%
602   \subfloat[Heterogeneous grid]{%
603     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
604   \label{fig:rel}
605   \caption{The energy and performance relation}
606 \end{figure}
607
608 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
609 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
610 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
611 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
612 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} or
613 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
614 \begin{equation}
615   \label{eq:max}
616   \MaxDist =
617 \mathop{  \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}}_{k=1,\dots,F}
618       (\overbrace{\Pnorm(S_{ijk})}^{\text{Maximize}} -
619        \overbrace{\Enorm(S_{ijk})}^{\text{Minimize}} )
620 \end{equation}
621 where $N$ is the number of clusters, $M$ is the number of nodes in each cluster and
622 $F$ is the number of available frequencies for each node.  Then, the optimal set 
623 of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
624 The objective function can work with any energy model or any power 
625 values for each node (static and dynamic powers). However, the most important 
626 energy reduction gain can be achieved when the energy curve has a convex form as shown 
627 in~\cite{Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Hao_Learning.based.DVFS}.
628
629 \section{The scaling factors selection algorithm for  grids }
630 \label{sec.optim}
631
632 \begin{algorithm}
633 \setstretch{1}
634   \begin{algorithmic}[1]
635     % \footnotesize
636     
637     \Require ~
638     \begin{description}
639     \item [{$N$}] number of clusters in the grid. 
640     \item [{$M$}] number of nodes in each cluster.
641     \item[{$\Tcp[ij]$}] array of all computation times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
642     \item[{$\Tcm[ij]$}] array of all communication times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
643     \item[{$\Fmax[ij]$}] array of the maximum frequencies for all nodes.
644     \item[{$\Pd[ij]$}] array of the dynamic powers for all nodes.
645     \item[{$\Ps[ij]$}] array of the static powers for all nodes.
646     \item[{$\Fdiff[ij]$}] array of the differences between two successive frequencies for all nodes.
647     \end{description}
648     \Ensure $\Sopt[11],\Sopt[12] \dots, \Sopt[NM_i]$,  a vector of scaling factors that gives the optimal tradeoff between energy consumption and execution time
649
650     \State $\Scp[ij] \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\max_{j=1,2,\dots,M_i}(\Tcp[ij]))}{\Tcp[ij]} $
651     \State $F_{ij} \gets  \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[i]},~{i=1,2,\cdots,N},~{j=1,2,\dots,M_i}.$
652     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest  available frequency for each node.
653     \If{(not the first frequency)}
654           \State $F_{ij} \gets F_{ij}+\Fdiff[ij],~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}.$
655     \EndIf
656     \State $\Told \gets $ computed as in equations (\ref{eq:told}).
657     \State $\Eoriginal \gets $ computed as in equations (\ref{eq:eorginal}) .
658     \State $\Sopt[ij] \gets 1,~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}. $
659     \State $\Dist \gets 0 $
660     \While {(all nodes have not reached their  minimum   \newline\hspace*{2.5em} frequency \textbf{or}  $\Pnorm - \Enorm < 0 $)}
661         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
662         \State $F_{ij} \gets F_{ij} - \Fdiff[ij],~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}$.
663         \State $S_{ij} \gets \frac{\Fmax[ij]}{F_{ij}},~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}.$
664         \EndIf
665        \State $\Tnew \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:perf}). 
666        \State $\Ereduced \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:energy}). 
667        \State $\Pnorm \gets \frac{\Told}{\Tnew}$,  $\Enorm\gets \frac{\Ereduced}{\Eoriginal}$
668       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
669         \State $\Sopt[ij] \gets S_{ij},~i=1,\dots,N,~j=1,\dots,M_i. $
670         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
671       \EndIf
672     \EndWhile
673     \State  Return $\Sopt[11],\Sopt[12],\dots,\Sopt[NM_i]$
674   \end{algorithmic}
675   \caption{Scaling factors selection algorithm}
676   \label{HSA}
677 \end{algorithm}
678
679 \begin{algorithm}
680   \begin{algorithmic}[1]
681     % \footnotesize
682     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
683       \State Computations section.
684       \State Communications section.
685       \If {$(k=1)$}
686         \State Gather all times of computation and communication from each node.
687         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
688         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
689                returned optimal scaling factors.
690         \State Set the new frequencies to nodes.
691       \EndIf
692     \EndFor
693   \end{algorithmic}
694   \caption{DVFS algorithm}
695   \label{dvfs}
696 \end{algorithm}
697
698
699 In this section, the scaling factors selection algorithm for  grids, algorithm~\ref{HSA}, 
700 is presented. It selects the vector of the frequency
701 scaling factors  that gives the best trade-off between minimizing the
702 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
703 synchronous iterative application executed on a  grid. It works
704 online during the execution time of the iterative message passing program.  It
705 uses information gathered during the first iteration such as the computation
706 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
707 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
708 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
709 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
710 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
711 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
712 scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
713
714 \begin{figure}[!t]
715   \centering
716   \includegraphics[scale=0.6]{fig/init_freq}
717   \caption{Selecting the initial frequencies}
718   \label{fig:st_freq}
719 \end{figure}
720
721 Nodes from distinct clusters in a grid have different computing powers, thus
722 while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes
723 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
724 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
725 periods are called idle or slack times.  The algorithm takes into account this
726 problem and tries to reduce these slack times when selecting the vector of the frequency
727 scaling factors. At first, it selects initial frequency scaling factors
728 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
729 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
730 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
731 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
732 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
733 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
734 \begin{equation}
735   \label{eq:Scp}
736   \Scp[ij] =  \frac{ \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}(\Tcp[ij])} {\Tcp[ij]}
737 \end{equation}
738 Using the initial frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the
739 algorithm computes the initial frequencies for all nodes as a ratio between the
740 maximum frequency of node $i$ and the computation scaling factor $\Scp[i]$ as
741 follows:
742 \begin{equation}
743   \label{eq:Fint}
744   F_{ij} = \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[ij]},~{i=1,2,\dots,N},~{j=1,\dots,M}
745 \end{equation}
746 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
747 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
748 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing powers in
749 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
750 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
751 frequencies are highlighted in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
752 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
753 optimal vector of frequencies because selecting higher frequencies
754 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
755 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
756 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
757 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
758 frequencies until reaching the nodes' minimum frequencies or lower bounds. A node's frequency is considered its lower bound if the computed distance between the energy and performance at this frequency is less than zero.
759 A negative distance means that the performance degradation ratio is higher than the energy saving ratio.
760 In this situation, the algorithm must stop the downward search because it has reached the lower bound and it is useless to test the lower frequencies. Indeed, they will all give worse distances. 
761
762 Therefore, the algorithm iterates on all remaining frequencies, from the higher
763 bound until all nodes reach their minimum frequencies or their lower bounds, to compute the overall
764 energy consumption and performance and selects the optimal vector of the frequency scaling
765 factors. At each iteration the algorithm determines the slowest node
766 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged,
767 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
768 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
769 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
770 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
771
772 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2} illustrate the normalized performance and
773 consumed energy for an application running on a homogeneous cluster and a
774  grid platform respectively while increasing the scaling factors. It can
775 be noticed that in a homogeneous cluster the search for the optimal scaling
776 factor should start from the maximum frequency because the performance and the
777 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand, in
778 the  grid platform the performance is maintained at the beginning of the
779 plot even if the frequencies of the faster nodes decrease until the computing
780 power of scaled down nodes are lower than the slowest node. In other words,
781 until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher the
782 difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger the
783 maximum distance between the energy curve and the performance curve is, which results in bigger energy savings. 
784
785
786 \section{Experimental results}
787 \label{sec.expe}
788 While in~\cite{pdsec2015} the energy  model and the scaling factors selection algorithm were applied to a heterogeneous cluster and  evaluated over the SimGrid simulator~\cite{SimGrid}, 
789 in this paper real experiments were conducted over the grid'5000 platform. 
790
791 \subsection{Grid'5000 architecture and power consumption}
792 \label{sec.grid5000}
793 Grid'5000~\cite{grid5000} is a large-scale testbed that consists of ten sites distributed all over  metropolitan France and Luxembourg. All the sites are connected together via        a special long distance network called RENATER,
794 which is the French National Telecommunication Network for Technology.
795 Each site of the grid is composed of a few heterogeneous 
796 computing clusters and each cluster contains many homogeneous nodes. In total,
797 grid'5000 has about  one thousand heterogeneous nodes and eight thousand cores.  In each site,
798 the clusters and their nodes are connected via  high speed local area networks. 
799 Two types of local networks are used, Ethernet or Infiniband networks which have  different characteristics in terms of bandwidth and latency.  
800
801 Since grid'5000 is dedicated to  testing, contrary to production grids it allows a user to deploy its own customized operating system on all the booked nodes. The user could have root rights and thus apply DVFS operations while executing a distributed application. Moreover, the grid'5000 testbed provides at some sites a power measurement tool to capture 
802 the power consumption  for each node in those sites. The measured power is the overall consumed power  by all the components of a node at a given instant, such as CPU, hard drive, main-board, memory, ...  For more details refer to
803 \cite{Energy_measurement}. In order to correctly measure the CPU power of one core in a node $j$, 
804  firstly,  the power consumed by the node while being idle at instant $y$, noted as $\Pidle[jy]$, was measured. Then, the power was measured while running a single thread benchmark with no communication (no idle time) over the same node with its CPU scaled to the maximum available frequency. The latter power measured at time $x$ with maximum frequency for one core of node $j$ is noted $\Pmax[jx]$. The difference between the two measured power consumptions represents the 
805 dynamic power consumption of that core with the maximum frequency, see  figure(\ref{fig:power_cons}). 
806
807
808 The dynamic power $\Pd[j]$ is computed as in equation (\ref{eq:pdyn})
809 \begin{equation}
810   \label{eq:pdyn}
811     \Pd[j] = \max_{x=\beta_1,\dots \beta_2} (\Pmax[jx])  -  \min_{y=\Theta_1,\dots \Theta_2} (\Pidle[jy])
812 \end{equation}
813
814 where $\Pd[j]$ is the dynamic power consumption for one core of node $j$, 
815 $\lbrace \beta_1,\beta_2 \rbrace$ is the time interval for the measured maximum power values, 
816 $\lbrace\Theta_1,\Theta_2\rbrace$ is the time interval for the measured  idle power values.
817 Therefore, the dynamic power of one core is computed as the difference between the maximum 
818 measured value in maximum powers vector and the minimum measured value in the idle powers vector.
819
820 On the other hand, the static power consumption by one core is a part of the measured idle power consumption of the node. Since in Grid'5000 there is no way to measure precisely the consumed static power and in~\cite{Our_first_paper,pdsec2015,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy} it was assumed that  the static power  represents a ratio of the dynamic power, the value of the static power is assumed as  20\% of dynamic power consumption of the core.
821
822 In the experiments presented in the following sections, two sites of grid'5000 were used, Lyon and Nancy sites. These two sites have in total seven different clusters as in figure (\ref{fig:grid5000}).
823
824 Four clusters from the two sites were selected in the experiments: one cluster from 
825 Lyon's site, Taurus, and three clusters from Nancy's site, Graphene, 
826 Griffon and Graphite. Each one of these clusters has homogeneous nodes inside, while nodes from different clusters are heterogeneous in many aspects such as: computing power, power consumption, available 
827 frequency ranges and local network features: the bandwidth and the latency.  Table \ref{table:grid5000} shows 
828 the detailed characteristics of these four clusters. Moreover, the dynamic powers were computed  using equation (\ref{eq:pdyn}) for all the nodes in the 
829 selected clusters and are presented in table  \ref{table:grid5000}.
830
831
832 \begin{figure}[!t]
833   \centering
834   \includegraphics[scale=1]{fig/grid5000}
835   \caption{The selected two sites of grid'5000}
836   \label{fig:grid5000}
837 \end{figure}
838 \begin{figure}[!t]
839   \centering
840   \includegraphics[scale=0.6]{fig/power_consumption.pdf}
841   \caption{The power consumption by one core from the Taurus cluster}
842   \label{fig:power_cons}
843 \end{figure}
844
845
846 The energy model and the scaling factors selection algorithm were applied to the NAS parallel benchmarks v3.3 \cite{NAS.Parallel.Benchmarks} and evaluated over Grid'5000.
847 The benchmark suite contains seven applications: CG, MG, EP, LU, BT, SP and FT. These applications have different computations and communications ratios and strategies which make them good testbed applications to evaluate the proposed algorithm and energy model.
848 The benchmarks have seven different classes, S, W, A, B, C, D and E, that represent the size of the problem that the method solves. In this work,  class D was used for all benchmarks in all the experiments presented in the next sections. 
849
850
851   
852 \begin{table}[!t]
853   \caption{CPUs characteristics of the selected clusters}
854   % title of Table
855   \centering
856   \begin{tabular}{|*{7}{c|}}
857     \hline
858     Cluster     & CPU         & Max   & Min   & Diff. & no. of cores    & dynamic power   \\
859     Name        & model       & Freq. & Freq. & Freq. & per CPU         & of one core     \\
860                 &             & GHz   & GHz   & GHz   &                 &           \\
861     \hline
862                 & Intel       & 2.3  & 1.2  & 0.1     & 6               & \np[W]{35} \\
863     Taurus      & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
864                 & E5-2630     &       &       &       &                 &            \\         
865     \hline
866                 & Intel       & 2.53  & 1.2   & 0.133 & 4               & \np[W]{23} \\
867     Graphene    & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
868                 & X3440       &       &       &       &                 &            \\    
869     \hline
870                 & Intel       & 2.5   & 2     & 0.5   & 4               & \np[W]{46} \\
871     Griffon     & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
872                 & L5420       &       &       &       &                 &            \\  
873     \hline
874                 & Intel       & 2     & 1.2   & 0.1   & 8               & \np[W]{35} \\
875      Graphite   & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
876                 & E5-2650     &       &       &       &                 &            \\  
877     \hline
878   \end{tabular}
879   \label{table:grid5000}
880 \end{table} 
881
882
883
884 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
885 \label{sec.res}
886 In this section, the results of the application of the scaling factors selection algorithm \ref{HSA} 
887 to the NAS parallel benchmarks are presented. 
888
889 As mentioned previously, the experiments 
890 were conducted over two sites of Grid'5000,  Lyon and Nancy sites. 
891 Two scenarios were considered while selecting the clusters from these two sites :
892 \begin{itemize}
893 \item In the first scenario, nodes from two sites and three heterogeneous clusters were selected. The two sites are connected 
894  via a long distance network.
895 \item In the second scenario nodes from three clusters located in one site, Nancy site, were selected.  
896 \end{itemize}
897
898 The main reason 
899 for using these two scenarios is to evaluate the influence of long distance communications (higher latency) on the performance of the 
900 scaling factors selection algorithm. Indeed, in the first scenario the computations to communications ratio 
901 is very low due to the higher communication times which reduce the effect of DVFS operations.
902
903 The NAS parallel benchmarks are executed over 
904 16 and 32 nodes for each scenario. The number of participating computing nodes from each cluster 
905 is different because all the selected clusters do not have the same available number of nodes and all benchmarks do not require the same number of computing nodes.
906 Table \ref{tab:sc} shows the number of nodes used from each cluster for each scenario. 
907
908 \begin{table}[h]
909
910 \caption{The different clusters scenarios}
911 \centering
912 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
913 \hline
914 \multirow{2}{*}{Scenario name}        & \multicolumn{3}{c|} {The participating clusters} \\ \cline{2-4} 
915                                       & Cluster & Site           & No. of  nodes     \\ 
916 \hline
917 \multirow{3}{*}{Two sites / 16 nodes} & Taurus & Lyon                & 5                      \\ \cline{2-4} 
918                                       & Graphene  & Nancy             & 5                      \\ \cline{2-4} 
919                                       & Griffon       & Nancy        & 6                      \\ 
920 \hline
921 \multirow{3}{*}{Tow sites / 32 nodes} & Taurus  & Lyon               & 10                     \\ \cline{2-4} 
922                                       & Graphene  & Nancy             & 10                     \\ \cline{2-4} 
923                                       & Griffon     &Nancy           & 12                     \\ 
924 \hline
925 \multirow{3}{*}{One site / 16 nodes}  & Graphite    & Nancy            & 4                      \\ \cline{2-4} 
926                                       & Graphene     & Nancy           & 6                      \\ \cline{2-4} 
927                                       & Griffon         & Nancy        & 6                      \\ 
928 \hline
929 \multirow{3}{*}{One site / 32 nodes}  & Graphite   & Nancy             & 4                      \\ \cline{2-4} 
930                                       & Graphene      & Nancy          & 14                     \\ \cline{2-4} 
931                                       & Griffon          & Nancy       & 14                       \\ 
932 \hline
933 \end{tabular}
934  \label{tab:sc}
935 \end{table}
936
937
938
939
940 The NAS parallel benchmarks are executed over these two platforms
941  with different number of nodes, as in Table \ref{tab:sc}. 
942 The overall energy consumption of all the benchmarks solving the class D instance and
943 using the proposed frequency selection algorithm is measured 
944 using the equation of the reduced energy consumption, equation 
945 (\ref{eq:energy}). This model uses the measured dynamic power showed in Table \ref{table:grid5000}
946
947 and the static 
948 power is assumed to be equal to 20\% of the dynamic power. The execution
949 time is measured for all the benchmarks over these different scenarios.  
950
951 The energy consumptions  and the execution times for all the benchmarks are 
952 presented in  plots \ref{fig:eng_sen} and \ref{fig:time_sen} respectively. 
953
954 For the majority of the benchmarks, the energy consumed while executing  the NAS benchmarks over one site scenario 
955 for  16 and 32 nodes is lower than the energy consumed while using two sites. 
956 The long distance communications between the two distributed sites increase the idle time, which leads to more static energy consumption. 
957
958 The execution times of these benchmarks 
959 over one site with 16 and 32 nodes are also lower when  compared to those of the  two sites 
960 scenario. Moreover, most of the benchmarks running over the one site scenario their execution times  are approximately divided by two  when the number of computing nodes is doubled from 16 to 32 nodes (linear speed up according to the number of the nodes).  
961
962 However, the  execution times and the energy consumptions of EP and MG benchmarks, which have no or small communications, are not significantly affected 
963  in both scenarios. Even when the number of nodes is doubled. On the other hand, the communications of the rest of the benchmarks increases when using long distance communications between two sites or increasing the number of computing nodes.
964
965
966
967 The energy saving percentage is computed as the ratio between the reduced 
968 energy consumption, equation (\ref{eq:energy}), and the original energy consumption,
969 equation (\ref{eq:eorginal}), for all benchmarks as in figure \ref{fig:eng_s}. 
970 This figure shows that the energy saving percentages of one site scenario for
971 16 and 32 nodes are bigger than those of the two sites scenario which is due
972 to the higher  computations to communications ratio in the first scenario   
973 than in the second one. Moreover, the frequency selecting algorithm selects smaller frequencies when the computations times are bigger than the communication times which 
974 results in  a lower energy consumption. Indeed, the dynamic  consumed power
975 is exponentially related to the CPU's frequency value. On the other hand, the increase in the number of computing nodes can 
976 increase the communication times and thus produces less energy saving depending on the 
977 benchmarks being executed. The results of benchmarks CG, MG, BT and FT show more 
978 energy saving percentage in one site scenario when executed over 16 nodes comparing to 32 nodes. While, LU and SP consume more energy with 16 nodes than 32 in one site  because their computations to communications ratio is not affected by the increase of the number of local communications. 
979 \begin{figure}
980   \centering
981   \subfloat[The energy consumption by the nodes wile executing the NAS benchmarks over different scenarios    
982            ]{%
983     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/eng_con_scenarios.eps}\label{fig:eng_sen}} \hspace{0.4cm}%
984   \subfloat[The execution times of the NAS benchmarks over different scenarios]{%
985     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/time_scenarios.eps}\label{fig:time_sen}}
986   \label{fig:exp-time-energy}
987   \caption{The  energy consumption and execution time of NAS  Benchmarks over different scenarios}
988 \end{figure}
989
990
991
992
993 The energy saving percentage is reduced for all the benchmarks because of the long distance communications in the two sites 
994 scenario, except for the   EP benchmark which has  no communication. Therefore, the energy saving percentage of this benchmark is 
995 dependent on the maximum difference between the computing powers of the heterogeneous computing nodes, for example 
996 in the one site scenario, the graphite cluster is selected but in the two sites scenario 
997 this cluster is replaced with the Taurus cluster which is more powerful. 
998 Therefore, the energy savings of the EP benchmark are bigger in the two sites scenario due 
999 to the higher maximum difference between the computing powers of the nodes. 
1000
1001 In fact, high differences between the nodes' computing powers make the proposed frequencies selecting  
1002 algorithm  select smaller frequencies for the powerful nodes which 
1003 produces less energy consumption and thus more energy saving.
1004 The best energy saving percentage was obtained in the one site scenario with 16 nodes, the energy consumption was on average reduced up to 30\%.
1005
1006 \begin{figure*}[t]
1007   \centering
1008   \subfloat[The energy reduction while executing the NAS benchmarks over different scenarios ]{%
1009     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/eng_s.eps}\label{fig:eng_s}} \hspace{0.4cm}%
1010   \subfloat[The performance degradation of the NAS benchmarks over different scenarios]{%
1011     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/per_d.eps}\label{fig:per_d}}\hspace{0.4cm}%
1012     \subfloat[The tradeoff distance between the energy reduction and the performance of the NAS benchmarks  
1013       over different scenarios]{%
1014     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/dist.eps}\label{fig:dist}}
1015   \label{fig:exp-res}
1016   \caption{The experimental results of different scenarios}
1017 \end{figure*}
1018 Figure \ref{fig:per_d} presents the performance degradation percentages for all benchmarks over the two scenarios.
1019 The performance degradation percentage for the benchmarks running on two sites  with
1020 16 or 32  nodes is on average equal to 8.3\% or 4.7\% respectively. 
1021 For this scenario, the proposed scaling algorithm selects smaller frequencies for the executions with 32 nodes  without significantly degrading their performance because the communication times are higher with 32 nodes which results in smaller  computations to communications ratio.  On the other hand, the performance degradation percentage  for the benchmarks running  on one site  with
1022 16 or 32  nodes is on average equal to 3.2\% or 10.6\% respectively. In contrary to the two sites scenario, when the number of computing nodes is increased in the one site scenario, the performance degradation percentage is increased. Therefore, doubling the number of computing 
1023 nodes when the communications occur in high speed network does not decrease the computations to 
1024 communication ratio. 
1025
1026 The performance degradation percentage of the EP benchmark after applying the scaling factors selection algorithm is the highest in comparison to 
1027 the other benchmarks. Indeed, in the EP benchmark, there are no communication and slack times and its 
1028 performance degradation percentage only depends on the frequencies values selected by the algorithm for the computing nodes.
1029 The rest of the benchmarks showed different performance degradation percentages, which decrease
1030 when the communication times increase and vice versa.
1031
1032 Figure \ref{fig:dist} presents the  distance percentage between the energy saving  and the performance degradation for each benchmark  over both  scenarios. The tradeoff distance percentage can be 
1033 computed as in equation \ref{eq:max}. The one site scenario with 16 nodes gives the best energy and performance 
1034 tradeoff, on average it is equal to  26.8\%. The one site scenario using both 16 and 32 nodes had better energy and performance 
1035 tradeoff comparing to the two sites scenario  because the former has high speed local communications 
1036 which increase the computations to communications ratio  and the latter uses long distance communications which decrease this ratio. 
1037
1038  Finally, the best energy and performance tradeoff depends on all of the following:
1039 1) the computations to communications ratio when there are  communications and slack times, 2) the heterogeneity of the computing powers of the nodes and 3) the heterogeneity of the consumed  static and dynamic powers of the nodes.
1040
1041
1042
1043
1044 \subsection{The experimental results over multi-cores clusters}
1045 \label{sec.res-mc}
1046
1047 The  clusters of grid'5000 have different number of cores embedded in their nodes
1048 as shown in Table \ref{table:grid5000}. In 
1049 this section, the proposed scaling algorithm is evaluated over the  grid'5000 platform  while using multi-cores nodes selected according to the one site scenario described in the section \ref{sec.res}.
1050 The one site scenario uses  32 cores from multi-cores nodes instead of 32 distinct nodes. For example if 
1051 the participating number of cores from a certain cluster is equal to 14, 
1052 in the multi-core scenario the selected nodes is equal to  4 nodes while using 
1053 3 or 4 cores from each node. The platforms with one  
1054 core per node and  multi-cores nodes are  shown in Table \ref{table:sen-mc}. 
1055 The energy consumptions and execution times of running  class D of the NAS parallel 
1056 benchmarks over these two different scenarios are presented 
1057 in  figures \ref{fig:eng-cons-mc} and \ref{fig:time-mc} respectively.
1058
1059 \begin{table}[]
1060 \centering
1061 \caption{The multicores scenarios}
1062 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
1063 \hline
1064 Scenario name                          & Cluster name & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  nodes\\ in each cluster\end{tabular} & 
1065                                        \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  cores\\ for each node\end{tabular}  \\ \hline
1066 \multirow{3}{*}{One core per node}    & Graphite     & 4               & 1                   \\  \cline{2-4}
1067                                        & Graphene     & 14              & 1                   \\  \cline{2-4}
1068                                        & Griffon      & 14              & 1                   \\ \hline
1069 \multirow{3}{*}{Multi-cores per node}  & Graphite     & 1               &  4              \\  \cline{2-4}
1070                                        & Graphene     & 4               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
1071                                        & Griffon      & 4               & 3 or 4                   \\ \hline
1072 \end{tabular}
1073 \label{table:sen-mc}
1074 \end{table}
1075
1076
1077 \begin{figure}
1078   \centering
1079   \subfloat[Comparing the  execution times of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios]{%
1080     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/time.eps}\label{fig:time-mc}} \hspace{0.4cm}%
1081   \subfloat[Comparing the  energy consumptions of running NAS benchmarks over one core and multi-cores scenarios]{%
1082     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/eng_con.eps}\label{fig:eng-cons-mc}}
1083     \label{fig:eng-cons}
1084   \caption{The energy consumptions and execution times of NAS benchmarks over one core and multi-cores per node architectures}
1085 \end{figure}
1086
1087
1088
1089 The execution times for most of  the NAS  benchmarks are higher over the multi-cores per node scenario 
1090 than over single core per node  scenario. Indeed,  
1091  the communication times  are higher in the one site multi-cores scenario than in the latter scenario because all the cores of a node  share  the same node network link which can be  saturated when running communication bound applications. Moreover, the cores of a node share the memory bus which can be also saturated and become a bottleneck.    
1092 Moreover, the energy consumptions of the NAS benchmarks are lower over the 
1093  one core scenario  than over the multi-cores scenario because 
1094 the first scenario had less execution time than the latter which results in less static energy being consumed.
1095 The computations to communications ratios of the NAS benchmarks are higher over 
1096 the one site one core scenario  when compared to the ratio of the multi-cores scenario. 
1097 More energy reduction can be gained when this ratio is big because it pushes the proposed scaling algorithm to select smaller frequencies that decrease the dynamic power consumption. These experiments also showed that the energy 
1098 consumption and the execution times of the EP and MG benchmarks do not change significantly over these two
1099 scenarios  because there are no or small communications. Contrary to EP and MG, the  energy consumptions and the execution times of the rest of the  benchmarks  vary according to the  communication times that are different from one scenario to the other.
1100   
1101   
1102 The energy saving percentages of all NAS benchmarks running over these two scenarios are presented in figure \ref{fig:eng-s-mc}. 
1103 The figure shows that  the energy saving percentages in the one 
1104 core and the multi-cores scenarios
1105 are approximately equivalent, on average they are equal to  25.9\% and 25.1\% respectively.
1106 The energy consumption is reduced at the same rate in the two scenarios when compared to the energy consumption of the executions without DVFS. 
1107
1108
1109 The performance degradation percentages of the NAS benchmarks are presented in
1110 figure \ref{fig:per-d-mc}. It shows that the performance degradation percentages is higher for the NAS benchmarks over the  one core per node scenario  (on average equal to 10.6\%)  than over the  multi-cores scenario (on average equal to 7.5\%). The performance degradation percentages over the multi-cores scenario is lower because  the computations to communications ratio is smaller than the ratio of the other scenario. 
1111
1112 The tradeoff distance percentages of the NAS benchmarks over the two scenarios are presented 
1113 in figure \ref{fig:dist-mc}. These  tradeoff distance between energy consumption reduction and performance  are used to verify which scenario is the best in both terms  at the same time. The figure shows that  the  tradeoff distance percentages are on average   bigger over the multi-cores scenario  (17.6\%) than over the  one core per node scenario  (15.3\%).
1114
1115
1116
1117 \begin{figure*}[t]
1118   \centering
1119     \subfloat[The energy saving of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios]{%
1120     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/eng_s_mc.eps}\label{fig:eng-s-mc}} \hspace{0.4cm}%
1121     \subfloat[The performance degradation of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios
1122       ]{%
1123     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/per_d_mc.eps}\label{fig:per-d-mc}}\hspace{0.4cm}%
1124     \subfloat[The tradeoff distance of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios]{%
1125     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/dist_mc.eps}\label{fig:dist-mc}}
1126   \label{fig:exp-res}
1127   \caption{The experimental results of one core and multi-cores scenarios}
1128 \end{figure*}
1129
1130
1131
1132 \subsection{Experiments with different static power scenarios}
1133 \label{sec.pow_sen}
1134
1135 In section \ref{sec.grid5000}, since it was not possible to measure the static power consumed by a CPU,   the static power was assumed to be equal to 20\% of the measured dynamic power. This power is consumed during the whole execution time, during computation and communication times. Therefore, when the DVFS operations are applied by the scaling algorithm and the CPUs' frequencies lowered, the execution time might increase and consequently the consumed static energy will be increased too. 
1136
1137 The aim of  this section is to evaluate the scaling algorithm while assuming different values of static powers. 
1138 In addition to the previously used  percentage of static power, two new static power ratios,  10\% and 30\% of the measured dynamic power of the core, are used in this section.
1139 The experiments have been executed with these two new static power scenarios  over the one site one core per node scenario.
1140 In these experiments, class D of the NAS parallel benchmarks are executed over the Nancy site. 16 computing nodes from the three clusters, Graphite, Graphene and Griffon, where used in this experiment. 
1141
1142
1143 \begin{figure}
1144   \centering
1145   \subfloat[The energy saving percentages for the nodes executing the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1146     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/eng_pow.eps}\label{fig:eng-pow}} \hspace{0.4cm}%
1147   \subfloat[The performance degradation percentages for the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1148     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/per_pow.eps}\label{fig:per-pow}}\hspace{0.4cm}%
1149     \subfloat[The tradeoff distance between the energy reduction and the performance of the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1150       
1151     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/dist_pow.eps}\label{fig:dist-pow}}
1152   \label{fig:exp-pow}
1153   \caption{The experimental results of different static power scenarios}
1154 \end{figure}
1155
1156
1157
1158 \begin{figure}
1159   \centering
1160   \includegraphics[scale=0.5]{fig/three_scenarios.pdf}
1161   \caption{Comparing the selected frequency scaling factors for the MG benchmark over the three static power scenarios}
1162   \label{fig:fre-pow}
1163 \end{figure}
1164
1165 The energy saving percentages of the NAS benchmarks with the three static power scenarios are presented 
1166 in figure \ref{fig:eng_sen}. This figure shows that the  10\% of static power scenario 
1167 gives the biggest energy saving percentages in comparison to the 20\% and 30\% static power 
1168 scenarios. The small value of the static power consumption makes the proposed 
1169 scaling algorithm  select smaller frequencies for the CPUs. 
1170 These smaller frequencies reduce the dynamic energy consumption more than increasing the consumed static energy which gives             less overall energy consumption. 
1171 The energy saving percentages of the 30\% static power scenario is the smallest between the other scenarios, because the scaling algorithm selects bigger frequencies for the CPUs which increases the energy consumption. Figure \ref{fig:fre-pow} demonstrates that the proposed scaling algorithm selects   the best frequency scaling factors   according to the static power consumption ratio being used.
1172
1173 The performance degradation percentages are presented in figure \ref{fig:per-pow}.
1174 The 30\% static power scenario had less performance degradation percentage  because the scaling algorithm
1175 had  selected big frequencies for the CPUs. While, 
1176 the inverse happens in the 10\% and 20\% scenarios because the scaling algorithm had selected  CPUs' frequencies smaller than those of the 30\% scenario. The tradeoff distance percentage for the NAS benchmarks with these three static power scenarios 
1177 are presented in figure \ref{fig:dist}. 
1178 It shows that the best  tradeoff
1179 distance percentage is obtained with  the  10\% static power scenario  and this percentage 
1180 is decreased for the other two scenarios because the scaling algorithm had selected different frequencies according to the static power values.
1181
1182 In the EP benchmark, the energy saving, performance degradation and tradeoff 
1183 distance percentages for these static power scenarios are not significantly different because there is no communication in this benchmark. Therefore, the static power is only consumed during computation and   the proposed scaling algorithm selects similar frequencies for the three scenarios.  On the other hand,  for the rest of the benchmarks,  the scaling algorithm  selects  the values of the frequencies according to the communication times of each benchmark because the static energy consumption increases  proportionally to the  communication times.
1184
1185
1186  
1187 \subsection{Comparison of the proposed frequencies selecting algorithm }
1188 \label{sec.compare_EDP}
1189
1190 Finding the frequencies that give the best tradeoff between the energy consumption and the performance for a parallel 
1191 application is not a trivial task.  Many algorithms have been proposed to tackle this problem.  
1192 In this section, the proposed frequencies selecting algorithm is compared to a method that uses the well known  energy and delay product objective function, $EDP=energy \times delay$, that has been used by many researchers  \cite{EDP_for_multi_processors,Energy_aware_application_scheduling,Exploring_Energy_Performance_TradeOffs}. 
1193 This objective function  was also used by Spiliopoulos et al. algorithm \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS} where they select the frequencies that minimize the EDP product and apply them with DVFS operations to  the multi-cores 
1194 architecture. Their online algorithm predicts the energy consumption and execution time of a processor before using the EDP method.
1195
1196 To fairly compare the proposed frequencies scaling algorithm to  Spiliopoulos et al. algorithm, called Maxdist and EDP respectively, both algorithms use the same energy model,  equation \ref{eq:energy} and
1197 execution time model, equation \ref{eq:perf}, to predict the energy consumption and the execution time for each computing node.
1198 Moreover, both algorithms start the search space from the upper bound computed as in equation   \ref{eq:Fint}.
1199 Finally, the resulting EDP algorithm is an exhaustive search algorithm that tests all the possible frequencies, starting from the initial frequencies (upper bound), 
1200 and selects the vector of frequencies that minimize the EDP product.
1201
1202 Both algorithms were applied to class D of the NAS benchmarks over 16 nodes.
1203 The participating computing nodes are distributed  according to the two scenarios described in  section \ref{sec.res}. 
1204 The experimental results, the energy saving, performance degradation and tradeoff distance percentages, are 
1205 presented in the figures \ref{fig:edp-eng}, \ref{fig:edp-perf} and \ref{fig:edp-dist} respectively.
1206
1207
1208 \begin{figure*}[t]
1209   \centering
1210   \subfloat[The energy reduction induced by the Maxdist method and the EDP method]{%
1211     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/edp_eng}\label{fig:edp-eng}} \hspace{0.4cm}%
1212     \subfloat[The performance degradation induced by  the Maxdist method and the EDP method]{%
1213     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/edp_per}\label{fig:edp-perf}}\hspace{0.4cm}%
1214     \subfloat[The tradeoff distance between the energy consumption reduction and the performance for the Maxdist method and the  EDP method]{%
1215     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/edp_dist}\label{fig:edp-dist}}
1216   \label{fig:edp-comparison}
1217   \caption{The comparison results}
1218 \end{figure*}
1219
1220 As shown in these figures, the proposed frequencies selection algorithm, Maxdist, outperforms the EDP algorithm in terms of energy consumption reduction and performance for all of the benchmarks executed over the two scenarios. 
1221 The proposed algorithm gives better results than EDP  because it 
1222 maximizes the energy saving and the performance at the same time. 
1223 Moreover, the proposed scaling algorithm gives the same weight for these two metrics.
1224 Whereas, the EDP algorithm gives sometimes negative tradeoff values for some benchmarks in the two sites scenarios.
1225 These negative tradeoff values mean that the performance degradation percentage is higher than the energy saving percentage.
1226 The high positive values of the tradeoff distance percentage mean that the  energy saving percentage is much higher than the performance degradation percentage. 
1227 The time complexity of both Maxdist and EDP algorithms are $O(N \cdot M \cdot F)$ and 
1228 $O(N \cdot M \cdot F^2)$ respectively, where $N$ is the number of the clusters, $M$ is the number of nodes and $F$ is the 
1229 maximum number of available frequencies. When Maxdist is applied to a benchmark that is being executed over 32 nodes distributed between Nancy and Lyon sites, it takes on average  $0.01 ms$  to compute the best frequencies while EDP is on average ten times slower over the same architecture.  
1230
1231
1232 \section{Conclusion}
1233 \label{sec.concl}
1234 This paper presents a new online frequencies selection algorithm.
1235  The algorithm selects the best vector of 
1236 frequencies that maximizes  the tradeoff distance 
1237 between the predicted energy consumption and the predicted execution time of the distributed 
1238 iterative applications running over a heterogeneous grid. A new energy model 
1239 is used by the proposed algorithm to predict the energy consumption 
1240 of the distributed iterative message passing application running over a grid architecture.
1241 To evaluate the proposed method on a real heterogeneous grid platform, it was applied on the  
1242  NAS parallel benchmarks   and the  class D instance was executed over the  Grid'5000 testbed platform. 
1243  The experiments on 16 nodes, distributed over three clusters, showed that the algorithm   on average reduces by 30\% the energy consumption
1244 for all the NAS benchmarks   while  on average only degrading by 3.2\%   the performance. 
1245 The Maxdist algorithm was also evaluated in different scenarios that vary in the distribution of the computing nodes between different clusters' sites or  use multi-cores per node architecture or consume different static power values. The algorithm selects different vectors of frequencies according to the 
1246 computations and communication times ratios, and  the values of the static and measured dynamic powers of the CPUs. 
1247 Finally, the proposed algorithm was compared to another method that uses
1248 the well known energy and delay product as an objective function. The comparison results showed 
1249 that the proposed algorithm outperforms the latter by selecting a vector of frequencies that gives a better tradeoff  between energy consumption reduction and performance. 
1250
1251 In the near future, we would like to develop a similar method that is adapted to
1252 asynchronous iterative applications where iterations are not synchronized and communications are overlapped with computations. 
1253  The development of
1254 such a method might require a new energy model because the
1255 number of iterations is not known in advance and depends on
1256 the global convergence of the iterative system.
1257
1258
1259
1260 \section*{Acknowledgment}
1261
1262 This work  has been  partially supported by  the Labex ACTION  project (contract
1263 ``ANR-11-LABX-01-01'').  Computations  have been performed  on the Grid'5000 platform. As  a  PhD student,
1264 Mr. Ahmed  Fanfakh, would  like to  thank the University  of Babylon  (Iraq) for
1265 supporting his work.
1266
1267 %\section*{References}
1268 \bibliography{my_reference}
1269
1270 \end{document}
1271
1272