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[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
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54 \begin{document} 
55
56 \title{Energy Consumption Reduction for Message Passing Iterative  Applications in Heterogeneous Architecture Using DVFS}
57  
58 \author{% 
59   \IEEEauthorblockN{%
60     Jean-Claude Charr,
61     Raphaël Couturier,
62     Ahmed Fanfakh and
63     Arnaud Giersch
64   } 
65   \IEEEauthorblockA{%
66     FEMTO-ST Institute\\
67     University of Franche-Comté\\
68     IUT de Belfort-Montbéliard,
69     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
70     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
71     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
72     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
73    }
74   }
75
76 \maketitle
77
78 \begin{abstract}
79 Computing platforms  are consuming  more and more  energy due to  the increasing
80 number  of nodes  composing  them.  To  minimize  the operating  costs of  these
81 platforms many techniques have been  used. Dynamic voltage and frequency scaling
82 (DVFS) is  one of them. It  reduces the frequency of  a CPU to  lower its energy
83 consumption.  However,  lowering the  frequency  of  a  CPU might  increase  the
84 execution  time of  an application  running on  that processor.   Therefore, the
85 frequency that  gives the best tradeoff  between the energy  consumption and the
86 performance of an application must be selected.
87
88 In this  paper, a new  online frequencies selecting algorithm  for heterogeneous
89 platforms is presented.   It selects the frequency which tries  to give the best
90 tradeoff  between  energy saving  and  performance  degradation,  for each  node
91 computing the message  passing iterative application. The algorithm  has a small
92 overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model for
93 message passing iterative applications  running on a heterogeneous platform. The
94 proposed algorithm is  evaluated on the Simgrid simulator  while running the NAS
95 parallel  benchmarks.  The  experiments   show  that  it  reduces  the  energy
96 consumption by up to 35\% while  limiting the performance degradation as much as
97 possible.   Finally,  the algorithm  is  compared  to  an existing  method,  the
98 comparison results showing that it outperforms the latter.
99
100 \end{abstract}
101
102 \section{Introduction}
103 \label{sec.intro}
104 The  need for  more  computing  power is  continually  increasing. To  partially
105 satisfy  this need,  most supercomputers  constructors just  put  more computing
106 nodes in their  platform. The resulting platforms might  achieve higher floating
107 point operations  per second  (FLOPS), but the  energy consumption and  the heat
108 dissipation  are  also increased.   As  an  example,  the Chinese  supercomputer
109 Tianhe-2 had  the highest FLOPS  in November 2014  according to the  Top500 list
110 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was  also the most power hungry
111 platform  with  its  over  3  million cores  consuming  around  17.8  megawatts.
112 Moreover,    according   to    the    U.S.    annual    energy   outlook    2014
113 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the  price of energy  for 1 megawatt-hour
114 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
115 the Tianhe-2  platform is approximately more  than \$10 million  each year.  The
116 computing platforms must  be more energy efficient and  offer the highest number
117 of FLOPS  per watt  possible, such as  the L-CSC  from the GSI  Helmholtz Center
118 which became the top of the Green500 list in November 2014 \cite{Green500_List}.
119 This heterogeneous platform executes more than 5 GFLOPS per watt while consuming
120 57.15 kilowatts.
121
122 Besides platform  improvements, there are many software  and hardware techniques
123 to lower  the energy consumption of  these platforms, such  as scheduling, DVFS,
124 ...   DVFS is  a  widely used  process to  reduce  the energy  consumption of  a
125 processor            by             lowering            its            frequency
126 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
127 the number of FLOPS executed by the processor which might increase the execution
128 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
129 different optimization  strategies to select  the frequency that gives  the best
130 tradeoff  between the  energy reduction  and performance  degradation  ratio. In
131 \cite{Our_first_paper}, a  frequency selecting algorithm was  proposed to reduce
132 the energy  consumption of message  passing iterative applications  running over
133 homogeneous platforms.  The results of  the experiments show  significant energy
134 consumption  reductions. In  this  paper, a  new  frequency selecting  algorithm
135 adapted  for heterogeneous  platform  is  presented. It  selects  the vector  of
136 frequencies, for  a heterogeneous platform  running a message  passing iterative
137 application, that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
138 minimum performance degradation ratio. The  algorithm has a very small overhead,
139 works online and does not need any training or profiling.
140
141 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
142 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
143 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
144 model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
145 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
146 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
147 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified. 
148 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
149 on a heterogeneous platform. It shows the results of running three 
150 different power scenarios and comparing them. Moreover, it also shows the comparison results
151 between the proposed method and an existing method.
152 Finally, in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
153
154 \section{Related works}
155 \label{sec.relwork}
156 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
157 the  frequency  of the  CPU  while  computing, in  order  to  reduce the  energy
158 consumption of  the processor. DVFS is also  allowed in  GPUs  to achieve the
159 same goal. Reducing the frequency of  a processor lowers its number of FLOPS and
160 might  degrade the  performance of  the application  running on  that processor,
161 especially if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency
162 for a processor to satisfy some objectives while taking into account all the
163 constraints,  is  not a  trivial  operation.   Many  researchers used  different
164 strategies to  tackle this problem. Some  of them developed  online methods that
165 compute   the  new   frequency  while   executing  the   application,   such  as
166 ~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}. Others
167 used  offline methods  that might  need to  run the  application and  profile it
168 before       selecting       the        new       frequency,       such       as
169 ~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}. The
170 methods could  be heuristics, exact or  brute force methods  that satisfy varied
171 objectives such as  energy reduction or performance. They  also could be adapted
172 to  the  execution's  environment  and  the  type of  the  application  such  as
173 sequential, parallel  or distributed architecture,  homogeneous or heterogeneous
174 platform, synchronous or asynchronous application, ...
175
176 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
177 Some works have already been done for such platforms and they can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
178 \begin{itemize}
179
180 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
181 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
182
183 \end{itemize}
184
185 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are executed on the  GPUs and the rest are executed 
186 on the CPUs.  Luley et al.
187 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed  a heterogeneous 
188 cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal was to maximize the 
189 energy efficiency of the platform during computation by maximizing the number of FLOPS per watt generated. 
190 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et al. developed a scheduling 
191 algorithm that distributes  workloads proportional to the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks must be completed at the same time.
192 In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Rong et al. showed that 
193 a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables DVFS gave better energy and performance 
194 efficiency than other clusters only composed of  CPUs.
195  
196 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with heterogeneous CPUs.
197 Many methods were conceived to reduce the energy consumption of this type of platform.  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling}  
198 developed a method that minimizes the value of $energy*delay^2$ (the delay is the sum of slack times that happen during synchronous communications) by dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster. Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed
199 an algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and 
200 non critical tasks. The algorithm scales down the frequency of  non critical tasks proportionally to their  slack and communication times while limiting  the performance degradation percentage to less than 10\%. In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed 
201   a heterogeneous cluster composed of two  types 
202 of Intel and AMD processors. They use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
203 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
204  the best frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using some 
205 heuristic. Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic programming approach to  
206 minimize the power consumption of heterogeneous servers  while respecting given time constraints. This approach 
207 had considerable overhead.
208 In contrast to the above described papers, this paper presents the following contributions :
209 \begin{enumerate}
210 \item  two new energy and performance models for message passing iterative synchronous applications running over 
211        a heterogeneous platform. Both models take into account  communication and slack times. The models can predict the required energy and the execution time of the application.
212        
213 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous platforms. The algorithm has a very small 
214       overhead and does not need any training or profiling. It uses a new optimization function which simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption of a message passing iterative synchronous application.
215       
216 \end{enumerate}
217
218 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
219 \label{sec.exe}
220
221
222
223 \subsection{The execution time of message passing distributed 
224                 iterative applications on a heterogeneous platform}
225
226 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
227 passing distributed iterative synchronous applications running over
228 heterogeneous platforms. A heterogeneous platform is defined as a collection of
229 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
230 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
231 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
232 have the same network bandwidth and latency.
233
234 The overall execution time  of a distributed iterative synchronous application 
235 over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and 
236 the communication time for every iteration on a node. However, due to the 
237 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur 
238 when fast nodes have to  wait, during synchronous communications, for  the slower 
239 nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
240 Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
241 task which has the highest computation time and no slack time.
242   
243  \begin{figure}[t]
244   \centering
245    \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
246   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
247   \label{fig:heter}
248 \end{figure}
249
250 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
251 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
252 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
253 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
254 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
255 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
256 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
257 as in (\ref{eq:s}).
258 \begin{equation}
259   \label{eq:s}
260  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
261 \end{equation}
262  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
263  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
264  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
265  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
266  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
267  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
268  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
269  The communication time for a task is the summation of  periods of 
270  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
271  until the message is synchronously sent or received.
272
273 Since in a heterogeneous platform each node has different characteristics,
274 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
275 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
276 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
277 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
278 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
279 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
280 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
281 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
282 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
283 \begin{equation}
284   \label{eq:perf}
285  \textit  T_\textit{new} = 
286  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm 
287 \end{equation}
288 Where:\\
289 \begin{equation}
290 \label{eq:perf2}
291  MinTcm = \min_{i=1,2,\dots,N} (Tcm_i)
292 \end{equation}
293 where  $TcpOld_i$ is  the computation  time of  processor $i$  during  the first
294 iteration and $MinTcm$  is the communication time of  the slowest processor from
295 the  first iteration.   The model  computes  the maximum  computation time  with
296 scaling factor  from each node  added to the  communication time of  the slowest
297 node. It means only the communication  time without any slack time is taken into
298 account.  Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
299 the  execution time of  one iteration  as in  (\ref{eq:perf}) multiplied  by the
300 number of iterations of that application.
301
302 This prediction model is developed from  the model to predict the execution time
303 of     message    passing     distributed    applications     for    homogeneous
304 architectures~\cite{Our_first_paper}.   The execution  time prediction  model is
305 used in  the method  to optimize both the energy consumption and the performance of
306 iterative methods, which is presented in the following sections.
307
308
309 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
310 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
311 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
312 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
313 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
314 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
315 computation times.  The dynamic power $Pd$ is related to the switching
316 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
317 operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
318 \begin{equation}
319   \label{eq:pd}
320   Pd = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
321 \end{equation}
322 The static power $Ps$ captures the leakage power as follows:
323 \begin{equation}
324   \label{eq:ps}
325    Ps  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
326 \end{equation}
327 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
328 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
329 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
330 to execute a given program can be computed as:
331 \begin{equation}
332   \label{eq:eind}
333    E_\textit{ind} =  Pd \cdot Tcp + Ps \cdot T
334 \end{equation}
335 where $T$ is the execution time of the program, $Tcp$ is the computation
336 time and $Tcp \le T$.  $Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
337 communication and no slack time.
338
339 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
340 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
341 constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the dynamic
342 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
343 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
344 ratio between the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).
345 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
346 system's kernel to lower a core's frequency. The new frequency 
347 $F_{new}$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as follows:
348 \begin{equation}
349   \label{eq:fnew}
350    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
351 \end{equation}
352 Replacing $F_{new}$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following 
353 equation for dynamic power consumption:
354 \begin{multline}
355   \label{eq:pdnew}
356    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
357    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
358 \end{multline}
359 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
360 new frequency and the maximum frequency respectively.
361
362 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
363 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
364 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
365 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
366 and is given by the following equation:
367 \begin{equation}
368   \label{eq:Edyn}
369    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
370 \end{equation}
371 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
372 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
373  the static power of a processor is considered as constant 
374 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
375 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
376 According to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
377 is the sum of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
378 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
379 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
380 \begin{equation}
381   \label{eq:Estatic}
382  E_\textit{s} = Ps \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
383 \end{equation}
384
385 In  the  considered  heterogeneous  platform,  each  processor  $i$  might  have
386 different   dynamic  and  static   powers,  noted   as  $Pd_{i}$   and  $Ps_{i}$
387 respectively.  Therefore,  even if  the  distributed  message passing  iterative
388 application  is  load balanced,  the  computation time  of  each  CPU $i$  noted
389 $Tcp_{i}$ might  be different and  different frequency scaling factors  might be
390 computed in order to decrease  the overall energy consumption of the application
391 and reduce slack  times.  The communication time of a processor  $i$ is noted as
392 $Tcm_{i}$  and could  contain slack  times when  communicating  with slower
393 nodes,  see figure(\ref{fig:heter}).  Therefore,  all nodes  do  not have  equal
394 communication  times. While  the dynamic  energy  is computed  according to  the
395 frequency  scaling   factor  and   the  dynamic  power   of  each  node   as  in
396 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed  as the sum of the execution time
397 of  one iteration multiplied  by the static  power of  each processor.   The overall
398 energy consumption of a message  passing distributed application executed over a
399 heterogeneous platform during one iteration  is the summation of all dynamic and
400 static energies for each processor.  It is computed as follows:
401 \begin{multline}
402   \label{eq:energy}
403  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
404  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
405   {MinTcm))}
406  \end{multline}
407
408 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
409 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
410 application and thus, increase the static energy because the execution time is
411 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption for the iterative 
412 application can be measured by measuring  the energy consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) 
413 multiplied by the number of iterations of that application.
414
415
416 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
417 \label{sec.compet}
418
419 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
420 energy efficient  execution of an  application. Indeed, even though  the dynamic
421 power  is  reduced  while  scaling  down  the  frequency  of  a  processor,  its
422 computation power  is proportionally decreased. Hence, the  execution time might
423 be drastically  increased and  during that time,  dynamic and static  powers are
424 being consumed.  Therefore,  it might cancel any gains  achieved by scaling down
425 the frequency of all nodes to  the minimum and the overall energy consumption of
426 the application might not  be the optimal one.  It is not  trivial to select the
427 appropriate frequency  scaling factor for  each processor while  considering the
428 characteristics  of each  processor  (computation power,  range of  frequencies,
429 dynamic  and static  powers)  and the  task executed  (computation/communication
430 ratio). The  aim being  to reduce  the overall energy  consumption and  to avoid
431 increasing    significantly    the    execution    time.   In    our    previous
432 work~\cite{Our_first_paper},  we  proposed a  method  that  selects the  optimal
433 frequency scaling factor  for a homogeneous cluster executing  a message passing
434 iterative synchronous  application while giving  the best trade-off  between the
435 energy consumption and  the performance for such applications.   In this work we
436 are  interested  in heterogeneous  clusters  as  described  above.  Due  to  the
437 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should
438 be selected and  it must give the best trade-off  between energy consumption and
439 performance.
440
441 The  relation between  the  energy consumption  and  the execution  time for  an
442 application  is complex  and nonlinear,  Thus, unlike  the relation  between the
443 execution time and  the scaling factor, the relation between  the energy and the
444 frequency   scaling    factors   is   nonlinear,   for    more   details   refer
445 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.   Moreover,  these relations
446 are not  measured using the same  metric.  To solve this  problem, the execution
447 time is normalized by computing the  ratio between the new execution time (after
448 scaling  down the  frequencies of  some processors)  and the  initial  one (with
449 maximum frequency for all nodes) as follows:
450 \begin{multline}
451   \label{eq:pnorm}
452   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
453        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
454            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
455 \end{multline}
456
457
458 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the consumed energy 
459 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
460 \begin{multline}
461   \label{eq:enorm}
462   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
463   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
464  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
465  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
466 \end{multline} 
467 Where $E_\textit{Reduced}$ and $E_\textit{Original}$ are computed using (\ref{eq:energy}) and
468   $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in (\ref{eq:pnorm}).
469
470 While the main 
471 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
472 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
473 to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the vector  of frequency
474 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
475 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
476 reduction with minimum execution time reduction.  
477   
478 This problem can be solved by making the optimization process for energy and 
479 execution time following the same direction.  Therefore, the equation of the 
480 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance equation, as follows:
481 \begin{multline}
482   \label{eq:pnorm_inv}
483   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
484           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
485             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
486 \end{multline}
487
488
489 \begin{figure}
490   \centering
491   \subfloat[Homogeneous platform]{%
492     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
493   
494   
495   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
496     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
497   \label{fig:rel}
498   \caption{The energy and performance relation}
499 \end{figure}
500
501 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum distance
502 between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the  performance
503 curve (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
504 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
505 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}). Then the objective
506 function has the following form:
507 \begin{equation}
508   \label{eq:max}
509   Max Dist = 
510   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
511       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
512        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
513 \end{equation}
514 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each node. 
515 Then, the optimal set of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
516 The objective function can work with any energy model or any power values for each node 
517 (static and dynamic powers). However, the most energy reduction gain can be achieved when 
518 the energy curve has a convex form as shown in~\cite{Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Hao_Learning.based.DVFS}.
519
520 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
521 \label{sec.optim}
522
523 \subsection{The algorithm details}
524 In this section, algorithm \ref{HSA} is presented. It selects the frequency scaling factors 
525 vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing 
526 the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous 
527 platform. It works online during the execution time of the iterative message passing program.  
528 It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the 
529 communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first 
530 iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective 
531 function (\ref{eq:max}). The program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs 
532 according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution 
533 of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called 
534 in the iterative MPI program.
535
536 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message 
537 passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their 
538 computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). 
539 These periods are called idle or slack times. 
540 The algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the 
541 frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase 
542 the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of 
543 fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely 
544 proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency 
545 scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the 
546 computation time of the node $i$ as follows:
547 \begin{equation}
548   \label{eq:Scp}
549  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
550 \end{equation}
551 Using the initial  frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
552 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
553 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
554 \begin{equation}
555   \label{eq:Fint}
556  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
557 \end{equation}
558 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed 
559 initial frequency is replaced by the nearest available frequency. In  figure (\ref{fig:st_freq}), 
560 the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster 
561 nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new 
562 frequencies are colored in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered 
563 as a higher bound for the search space of the optimal vector of frequencies because selecting frequency 
564 scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and 
565 it will increase its overall energy consumption. Therefore the algorithm that selects the frequency 
566 scaling factors starts the search method from these initial frequencies and takes a downward search direction 
567 toward lower frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all 
568 nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select 
569 the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node 
570 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  
571 all other nodes by one gear.
572 The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. 
573 The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective 
574 function (\ref{eq:max}).
575
576 The plots~(\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}) illustrate the normalized performance and consumed energy for an 
577 application running on a homogeneous platform and a heterogeneous platform respectively while increasing the 
578 scaling factors. It can be noticed that in a homogeneous platform the search for the optimal scaling factor 
579 should be started from the maximum frequency because the performance and the consumed energy is decreased since  
580 the beginning of the plot. On the other hand, in  the heterogeneous platform the performance is  maintained at 
581 the beginning of the plot even if the frequencies of the faster nodes are decreased until the scaled down nodes 
582 have computing powers lower than the slowest node. In other words, until they reach the higher bound. It can 
583 also be noticed that the higher the difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger 
584 the maximum distance between the energy curve and the performance curve is while varying the scaling factors 
585 which results in bigger energy savings. 
586 \begin{figure}[t]
587   \centering
588     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
589   \caption{Selecting the initial frequencies}
590   \label{fig:st_freq}
591 \end{figure}
592
593
594
595
596 \begin{algorithm}
597   \begin{algorithmic}[1]
598     % \footnotesize
599     \Require ~
600     \begin{description}
601     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
602     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
603     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
604     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
605     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
606     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
607     \end{description}
608     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
609
610     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
611     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
612     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
613     \If{(not the first frequency)}
614           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
615     \EndIf 
616     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
617     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
618     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
619     \State $Dist \gets 0 $
620     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
621         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
622         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
623         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
624         \EndIf
625        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
626        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
627                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
628        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
629        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
630       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
631         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
632         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
633       \EndIf
634     \EndWhile
635     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
636   \end{algorithmic}
637   \caption{frequency scaling factors selection algorithm}
638   \label{HSA}
639 \end{algorithm}
640
641 \begin{algorithm}
642   \begin{algorithmic}[1]
643     % \footnotesize
644     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
645       \State Computations section.
646       \State Communications section.
647       \If {$(k=1)$}
648         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
649                communication from each node.
650         \State Call algorithm \ref{HSA}.
651         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
652                returned optimal scaling factors.
653         \State Set the new frequencies to nodes.
654       \EndIf
655     \EndFor
656   \end{algorithmic}
657   \caption{DVFS algorithm}
658   \label{dvfs}
659 \end{algorithm}
660
661 \subsection{The evaluation of the proposed algorithm}
662 \label{sec.verif.algo}
663 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
664 (\ref{eq:perf}) and the energy model computed by (\ref{eq:energy}). 
665 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
666 linearly related to the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
667 the works presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
668 execution time was compared to  the real execution time over SimGrid/SMPI simulator, v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}, 
669 for all  the NAS parallel benchmarks NPB v3.3 
670 \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}, running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
671 the maximum normalized difference between the predicted execution time  and the real execution time is equal 
672 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
673
674 Since  the proposed algorithm is not an exact method and does not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
675 in the search space. To prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
676 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
677 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
678 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
679 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
680 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 
681 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
682 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
683 vector of frequency scaling factors that gives the results of the next sections.
684
685 \section{Experimental results}
686 \label{sec.expe}
687 To evaluate the efficiency and the overall energy consumption reduction of algorithm~ \ref{HSA}, 
688 it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3. The experiments were executed 
689 on the simulator SimGrid/SMPI which offers easy tools to create a heterogeneous platform and run 
690 message passing applications over it. The  heterogeneous platform that was used in the experiments, 
691 had one core per node because just one  process was executed per node. 
692 The heterogeneous platform  was composed of four types of nodes. Each type of nodes had different 
693 characteristics such as the maximum CPU frequency, the number of
694 available frequencies and the computational power, see Table \ref{table:platform}. The characteristics 
695 of these different types of  nodes are inspired   from the specifications of real Intel processors. 
696 The heterogeneous platform had up to 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, 
697 for example if  a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the constructors 
698 of CPUs do not specify the dynamic and the static power of their CPUs, for each type of node they were 
699 chosen proportionally to its computing power (FLOPS).  In the initial heterogeneous platform,  while computing 
700 with highest frequency, each node  consumed power proportional to its computing power which 80\% of it was 
701 dynamic power and the rest was 20\% for the static power, the same assumption  was made in \cite{Our_first_paper,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. 
702 Finally, These nodes were connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
703
704
705 \begin{table}[htb]
706   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
707   % title of Table
708   \centering
709   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
710     \hline
711     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
712     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
713                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
714     \hline
715     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~w         &4~w    \\
716          
717     \hline
718     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~w         &5~w    \\
719                   
720     \hline
721     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~w         &6~w    \\
722                   
723     \hline
724     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~w         &7~w    \\
725                   
726     \hline
727   \end{tabular}
728   \label{table:platform}
729 \end{table}
730
731  
732 %\subsection{Performance prediction verification}
733
734
735 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
736 \label{sec.res}
737
738
739 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) 
740 and the benchmarks were executed with the three classes: A,B and C. However, due to the lack of space in 
741 this paper, only the results of the biggest class, C, are presented while being run on different number 
742 of nodes, ranging  from 4 to 128 or 144 nodes depending on the benchmark being executed. Indeed, the 
743 benchmarks CG, MG, LU, EP and FT should be executed on $1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes. 
744 The other benchmarks such as BT and SP should be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
745
746  
747  
748 \begin{table}[htb]
749   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
750   % title of Table
751   \centering
752   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
753     \hline
754     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
755     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
756     \hline
757     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
758     \hline 
759     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
760    \hline
761     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
762    \hline
763     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
764     \hline
765     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
766    \hline
767     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
768    \hline
769     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
770 \hline 
771   \end{tabular}
772   \label{table:res_4n}
773 \end{table}
774
775 \begin{table}[htb]
776   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
777   % title of Table
778   \centering
779   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
780     \hline
781     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
782     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
783     \hline
784     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
785     \hline 
786     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
787    \hline
788     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
789    \hline
790     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
791     \hline
792     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
793    \hline
794     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
795    \hline
796     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
797 \hline 
798   \end{tabular}
799   \label{table:res_8n}
800 \end{table}
801
802 \begin{table}[htb]
803   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
804   % title of Table
805   \centering
806   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
807     \hline
808     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
809     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
810     \hline
811     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
812     \hline 
813     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
814    \hline
815     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
816    \hline
817     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
818     \hline
819     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
820    \hline
821     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
822    \hline
823     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
824 \hline 
825   \end{tabular}
826   \label{table:res_16n}
827 \end{table}
828
829 \begin{table}[htb]
830   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
831   % title of Table
832   \centering
833   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
834     \hline
835     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
836     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
837     \hline
838     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
839     \hline 
840     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
841    \hline
842     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
843    \hline
844     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
845     \hline
846     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
847    \hline
848     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
849    \hline
850     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
851 \hline 
852   \end{tabular}
853   \label{table:res_32n}
854 \end{table}
855
856 \begin{table}[htb]
857   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
858   % title of Table
859   \centering
860   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
861     \hline
862     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
863     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
864     \hline
865     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
866     \hline 
867     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
868    \hline
869     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
870    \hline
871     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
872     \hline
873     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
874    \hline
875     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
876    \hline
877     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
878 \hline 
879   \end{tabular}
880   \label{table:res_64n}
881 \end{table}
882
883
884 \begin{table}[htb]
885   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
886   % title of Table
887   \centering
888   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
889     \hline
890     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
891     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
892     \hline
893     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
894     \hline 
895     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
896    \hline
897     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
898    \hline
899     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
900     \hline
901     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
902    \hline
903     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
904    \hline
905     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
906 \hline 
907   \end{tabular}
908   \label{table:res_128n}
909 \end{table}
910 The overall energy consumption was computed for each instance according to the energy 
911 consumption  model (\ref{eq:energy}), with and without applying the algorithm. The 
912 execution time was also measured for all these experiments. Then, the energy saving 
913 and performance degradation percentages were computed for each instance.  
914 The results are presented in Tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, 
915 \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). All these results are the 
916 average values from many experiments for  energy savings and performance degradation.
917 The tables  show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks on different 
918 number of nodes. The experiments show that the algorithm reduce significantly the energy 
919 consumption (up to 35\%) and tries to limit the performance degradation. They also show that 
920 the  energy saving percentage is decreased  when the number of the computing nodes is increased. 
921 This reduction is due to the increase of the communication times compared to the execution times 
922 when the benchmarks are run over a high number of nodes. Indeed, the benchmarks with the same class, C, 
923 are executed on different number of nodes, so the computation required for each iteration is divided 
924 by the number of computing nodes.   On the other hand, more communications are required when increasing 
925 the number of nodes so the static energy is increased linearly according to the communication time and 
926 the dynamic power is less relevant in the overall energy consumption. Therefore, reducing the frequency 
927 with algorithm~(\ref{HSA}) have less effect in reducing the overall energy savings. It can also be 
928 noticed that for the benchmarks EP and SP that contain little or no communications,  the energy savings 
929 are not significantly affected with the high number of nodes. No experiments were conducted using bigger 
930 classes such as D, because they require a lot of memory(more than 64GB) when being executed by the simulator 
931 on one machine. The maximum distance between the normalized energy curve and the normalized performance 
932 for each instance is also shown in the result tables. It is decreased in the same way as the energy 
933 saving percentage. The tables also show that the performance degradation percentage is not significantly 
934 increased when the number of computing nodes is increased because the computation times are small when 
935 compared to the communication times.  
936
937
938  
939 \begin{figure}
940   \centering
941   \subfloat[Energy saving]{%
942     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
943   
944   \subfloat[Performance degradation ]{%
945     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
946   \label{fig:avg}
947   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
948 \end{figure}
949
950 Plots (\ref{fig:energy} and \ref{fig:per_deg}) present the energy saving and performance degradation 
951 respectively for all the benchmarks according to the number of used nodes. As shown in the first plot, 
952 the energy saving percentages of the benchmarks MG, LU, BT and FT are decreased linearly  when the  
953 number of nodes is increased. While for the  EP and SP benchmarks, the energy saving percentage is not 
954 affected by the increase of the number of computing nodes, because in these benchmarks there are little or 
955 no communications. Finally, the energy saving of the GC benchmark  is significantly decreased when the number 
956 of nodes is increased because  this benchmark has more communications than the others. The second plot 
957 shows that the performance degradation percentages of most of the benchmarks are decreased when they 
958 run on a big number of nodes because they spend more time communicating than computing, thus, scaling 
959 down the frequencies of some nodes have less effect on the performance. 
960
961
962
963
964 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
965 \label{sec.compare}
966 The results of the previous section were obtained while using processors that consume during computation 
967 an overall power which is 80\% composed of  dynamic power and 20\% of static power. In this section, 
968 these ratios are changed and two new power scenarios are considered in order to evaluate how the proposed  
969 algorithm adapts itself according to the static and dynamic power values.  The two new power scenarios 
970 are the following: 
971
972 \begin{itemize}
973 \item 70\% dynamic power  and 30\% static power
974 \item 90\% dynamic power  and 10\% static power
975 \end{itemize}
976
977 The NAS parallel benchmarks were executed again over processors that follow the new power scenarios. 
978 The class C of each benchmark was run over 8 or 9 nodes and the results are presented in  Tables 
979 \ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}. These tables show that the energy saving percentage of the 70\%-30\% 
980 scenario is less for all benchmarks compared to the energy saving of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in the latter 
981 more dynamic power is consumed when nodes are running on their maximum frequencies, thus, scaling down the frequency 
982 of the nodes results in higher energy savings than in the 70\%-30\% scenario. On the other hand,  the performance 
983 degradation percentage is less in the 70\%-30\% scenario  compared to the 90\%-10\%  scenario. This is due to the 
984 higher static power percentage in the first scenario which makes it more relevant in the overall consumed energy. 
985 Indeed, the static energy is related to the execution time and if the performance is  degraded the total consumed 
986 static energy is directly increased. Therefore, the proposed algorithm do not scales down much the frequencies of the 
987 nodes  in order to limit the increase of the execution time and thus limiting the effect of the consumed static energy.
988
989 The two new power scenarios are compared to the old one in figure (\ref{fig:sen_comp}). It shows the average of 
990 the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks of class C running on 8 or 9 nodes. 
991 The comparison shows that  the energy saving ratio is proportional to the dynamic power ratio: it is increased 
992 when applying the  90\%-10\% scenario because at maximum frequency the dynamic  energy is the  most relevant 
993 in the overall consumed energy and can be reduced by lowering the frequency of some processors. On the other hand, 
994 the energy saving is decreased when  the 70\%-30\% scenario is used because the dynamic  energy is less relevant in 
995 the overall consumed energy and lowering the frequency do not returns big energy savings.
996 Moreover, the average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power 
997 (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). Since the proposed algorithm optimizes the energy consumption 
998 when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selects bigger frequency scaling factors that result in 
999 more energy saving but less performance, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The opposite happens 
1000 when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects  smaller scaling values which 
1001 results in less energy saving but less performance degradation. 
1002
1003
1004  \begin{table}[htb]
1005   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
1006   % title of Table
1007   \centering
1008   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
1009     \hline
1010     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1011     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1012     \hline
1013     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
1014     \hline 
1015     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
1016    \hline
1017     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
1018    \hline
1019     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
1020     \hline
1021     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
1022    \hline
1023     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
1024    \hline
1025     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
1026 \hline 
1027   \end{tabular}
1028   \label{table:res_s1}
1029 \end{table}
1030
1031
1032
1033 \begin{table}[htb]
1034   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
1035   % title of Table
1036   \centering
1037   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
1038     \hline
1039     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1040     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1041     \hline
1042     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1043     \hline 
1044     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1045    \hline
1046     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1047    \hline
1048     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1049     \hline
1050     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1051    \hline
1052     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1053    \hline
1054     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1055 \hline 
1056   \end{tabular}
1057   \label{table:res_s2}
1058 \end{table}
1059
1060
1061 \begin{figure}
1062   \centering
1063   \subfloat[Comparison  of the results on 8 nodes]{%
1064     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1065
1066   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1067     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1068   \label{fig:comp}
1069   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1070 \end{figure}  
1071
1072
1073
1074
1075 \subsection{The comparison of the proposed scaling algorithm }
1076 \label{sec.compare_EDP}
1077 In this section, the scaling  factors selection algorithm, called MaxDist,
1078 is compared to Spiliopoulos et al. algorithm \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, called EDP. 
1079 They developed a green governor that regularly applies an online frequency selecting algorithm to reduce the energy consumed by a multicore architecture without degrading much its performance. The algorithm selects the frequencies that minimize the energy and delay products, $EDP=Enegry*Delay$ using the predicted overall energy consumption and execution time delay for each frequency.
1080 To fairly compare both algorithms, the same energy and execution time models, equations (\ref{eq:energy}) and  (\ref{eq:fnew}), were used for both algorithms to predict the energy consumption and the execution times. Also Spiliopoulos et al. algorithm was adapted to  start the search from the 
1081 initial frequencies computed using the equation (\ref{eq:Fint}). The resulting algorithm is an exhaustive search algorithm that minimizes the EDP and has the initial frequencies values as an upper bound.
1082
1083 Both algorithms were applied to the parallel NAS benchmarks to compare their efficiency. Table \ref{table:compare_EDP}  presents the results of comparing the execution times and the energy consumptions for both versions of the NAS benchmarks while running the class C of each benchmark over 8 or 9 heterogeneous nodes. The results show that our algorithm gives better energy savings than Spiliopoulos et al. algorithm, 
1084 on average it results in 29.76\% energy saving while their algorithm returns just 25.75\%. The average of performance degradation percentage is approximately the same for both algorithms, about 4\%. 
1085
1086
1087 For all benchmarks, our algorithm outperforms 
1088 Spiliopoulos et al. algorithm in term of energy and performance tradeoff, see figure (\ref{fig:compare_EDP}), because it maximizes the distance between the energy saving and the performance degradation values while giving the same weight for both metrics. 
1089
1090
1091
1092
1093 \begin{table}[h]
1094  \caption{Comparing the proposed algorithm}
1095  \centering
1096 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|}
1097 \hline
1098 \multicolumn{2}{|l|}{\multirow{2}{*}{\begin{tabular}[c]{@{}l@{}}Program \\ name\end{tabular}}} & \multicolumn{2}{l|}{Energy saving \%} & \multicolumn{2}{l|}{Perf.  degradation \%} & \multicolumn{2}{l|}{Distance} \\ \cline{3-8} 
1099 \multicolumn{2}{|l|}{}                                                                         & EDP             & MaxDist          & EDP            & MaxDist           & EDP          & MaxDist        \\ \hline
1100 \multicolumn{2}{|l|}{CG}                                                                       & 27.58           & 31.25            & 5.82           & 7.12              & 21.76        & 24.13          \\ \hline
1101 \multicolumn{2}{|l|}{MG}                                                                       & 29.49           & 33.78            & 3.74           & 6.41              & 25.75        & 27.37          \\ \hline
1102 \multicolumn{2}{|l|}{LU}                                                                       & 19.55           & 28.33            & 0.0            & 0.01              & 19.55        & 28.22          \\ \hline
1103 \multicolumn{2}{|l|}{EP}                                                                       & 28.40           & 27.04            & 4.29           & 0.49              & 24.11        & 26.55          \\ \hline
1104 \multicolumn{2}{|l|}{BT}                                                                       & 27.68           & 32.32            & 6.45           & 7.87              & 21.23        & 24.43          \\ \hline
1105 \multicolumn{2}{|l|}{SP}                                                                       & 20.52           & 24.73            & 5.21           & 2.78              & 15.31         & 21.95         \\ \hline
1106 \multicolumn{2}{|l|}{FT}                                                                       & 27.03           & 31.02            & 2.75           & 2.54              & 24.28        & 28.48           \\ \hline
1107
1108 \end{tabular}
1109 \label{table:compare_EDP}
1110 \end{table}
1111
1112
1113
1114
1115
1116 \begin{figure}[t]
1117   \centering
1118    \includegraphics[scale=0.5]{fig/compare_EDP.pdf}
1119   \caption{Tradeoff comparison for NAS benchmarks class C}
1120   \label{fig:compare_EDP}
1121 \end{figure}
1122
1123
1124 \section{Conclusion}
1125 \label{sec.concl} 
1126 In this paper, a new online frequency selecting algorithm has been presented. It selects the best possible vector of frequency scaling factors that gives the maximum distance (optimal tradeoff) between the predicted energy and 
1127 the predicted performance curves for a heterogeneous platform. This algorithm uses a new energy model for measuring  
1128 and predicting the energy of distributed iterative applications running over heterogeneous 
1129 platform. To evaluate the proposed method, it  was  applied on the NAS parallel benchmarks and executed over a heterogeneous platform simulated by  Simgrid. The results of the experiments showed that the algorithm reduces up to 35\% the energy consumption of a message passing iterative method while limiting the degradation of the performance. The algorithm also  selects different scaling factors   according to the percentage of the computing and communication times, and according to the values of  the static and  dynamic powers of the CPUs. Finally, the algorithm was compared to Spiliopoulos et al. algorithm and the results showed that it 
1130  outperforms their algorithm in term of energy-time tradeoff.
1131
1132 In the near future, this method will be applied to real heterogeneous platforms to evaluate its performance in a real study case. It would also be interesting to evaluate its scalability over large scale heterogeneous platform and measure the energy consumption reduction it can produce. Afterward, we would like  to develop a similar method that is adapted to asynchronous  iterative applications 
1133 where each task does not wait for others tasks to finish their works. The development of such method might require a new 
1134 energy model because the number of iterations is not 
1135 known in advance and depends on the global convergence of the iterative system.
1136
1137 \section*{Acknowledgment}
1138
1139 This work has been partially supported by the Labex
1140 ACTION project (contract “ANR-11-LABX-01-01”). As a PhD student, 
1141 Mr. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
1142 Babylon (Iraq) for supporting his work. 
1143
1144
1145 % trigger a \newpage just before the given reference
1146 % number - used to balance the columns on the last page
1147 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1148 % the document is modified later
1149 %\IEEEtriggeratref{15}
1150
1151 \bibliographystyle{IEEEtran}
1152 \bibliography{IEEEabrv,my_reference}
1153 \end{document}
1154    
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