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introduction correction
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1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
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26
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28
29 %% used to put some subscripts lower, and make them more legible
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31
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62
63 \begin{document}
64
65 \title{Energy Consumption Reduction with DVFS for \\
66   Message Passing Iterative Applications on \\
67   Heterogeneous Architectures}
68
69 \author{%
70   \IEEEauthorblockN{%
71     Jean-Claude Charr,
72     Raphaël Couturier,
73     Ahmed Fanfakh and
74     Arnaud Giersch
75   }
76   \IEEEauthorblockA{%
77     FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comté\\
78     IUT de Belfort-Montbéliard,
79     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
80     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
81     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
82     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
83    }
84   }
85
86 \maketitle
87
88
89 \begin{abstract}
90 \textcolor{blue}{
91   In recent years, green computing topic  has being became an important topic in 
92   the domain of the research. The increase in computing power of the computing 
93   platforms is increased the energy consumption and the carbon dioxide emissions.
94   Many techniques have being used to minimize the cost of the energy consumption 
95   and reduce environmental pollution. Dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) 
96   is one of these techniques. It used to reduce the power consumption of the CPU 
97   while computing by lowering its frequency. Moreover, lowering the frequency of 
98   a CPU may increase the execution time of an application running on that 
99   processor. Therefore, the frequency that gives the best trade-off between 
100   the energy consumption and the performance of an application must be selected. 
101   In this paper, a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous
102   grid (heterogeneous CPUs) is presented.  It selects the frequencies and tries to give the best
103   trade-off between energy saving and performance degradation, for each node
104   computing the message passing iterative application. The algorithm has a small
105   overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model
106   for message passing iterative applications running on a heterogeneous
107   grid. The proposed algorithm is evaluated on real testbed, grid'5000 platform, while
108   running the NAS parallel benchmarks.  The experiments show that it reduces the
109   energy consumption on average up to \np[\%]{30} while declines the performance
110   on average by \np[\%]{3}. Finally, the algorithm is 
111   compared to an existing method, the comparison results show that it outperforms the
112   latter in term of energy and performance trade-off.}
113 \end{abstract}
114
115
116 \section{Introduction}
117 \label{sec.intro}
118 \textcolor{red}{did you verify that these informations are still accurate before changing the years to 2015?}
119 The need for more computing power is continually increasing. To partially
120 satisfy this need, most supercomputers constructors just put more computing
121 nodes in their platform. The resulting platforms may achieve higher floating
122 point operations per second (FLOPS), but the energy consumption and the heat
123 dissipation are also increased.  As an example, the Chinese supercomputer
124 Tianhe-2 had the highest FLOPS in June 2015  according to the Top500 list
125 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was also the most power hungry
126 platform with its over 3 million cores consuming around 17.8 megawatts.
127 Moreover, according to the U.S.  annual energy outlook 2015
128 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2015}, the price of energy for 1 megawatt-hour
129 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
130 the Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 million each year.  The
131 computing platforms must be more energy efficient and offer the highest number
132 of FLOPS per watt possible, such as the Shoubu-ExaScaler from RIKEN
133 which became the top of the Green500 list in June 2015 \cite{Green500_List}.
134 This heterogeneous platform executes more than 7 GFLOPS per watt while consuming
135 50.32 kilowatts.
136
137 Besides platform improvements, there are many software and hardware techniques
138 to lower the energy consumption of these platforms, such as scheduling, DVFS,
139 \dots{} DVFS is a widely used process to reduce the energy consumption of a
140 processor by lowering its frequency
141 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
142 the number of FLOPS executed by the processor which may increase the execution
143 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
144 different optimization strategies to select the frequency that gives the best
145 trade-off between the energy reduction and performance degradation ratio. In
146 \cite{Our_first_paper} and \cite{pdsec2015} , a frequencies selecting algorithm was proposed to reduce
147 the energy consumption of message passing iterative applications running over
148 homogeneous  and heterogeneous clusters respectively.  
149 The results of the experiments showed significant energy
150 consumption reductions. All the experimental results were conducted over 
151 Simgrid simulator \cite{SimGrid}, which offers easy tools to create a homogeneous and heterogeneous platforms and run message passing parallel applications over them. In this paper, a new frequencies selecting algorithm,
152 adapted to  grid platforms, is presented. It is applied to the NAS parallel benchmarks and evaluated over a real testbed, 
153 the grid'5000 platform \cite{grid5000}. It selects  for a grid platform running a message passing iterative
154 application the vector of
155 frequencies  that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
156 minimum performance degradation ratios. The algorithm has a very small overhead,
157 works online and does not need any training or profiling.
158
159
160 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
161 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
162 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents
163 an energy model that predicts the energy consumption of an application running
164 over a grid platform. Section~\ref{sec.compet} presents the
165 energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
166 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
167 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequencies selecting algorithm.
168 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on the 
169 NAS parallel benchmarks and executing them on the grid'5000 testbed. 
170 It shows the results of running different scenarios using multi-cores and one core per node 
171 and comparing them. It also evaluates the algorithm over three different power scenarios. Moreover, it shows the
172 comparison results between the proposed method and an existing method.  Finally,
173 in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
174
175 \section{Related works}
176 \label{sec.relwork}
177
178 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
179 the frequency of the CPU while computing, in order to reduce the energy
180 consumption of the processor. DVFS is also allowed in GPUs to achieve the same
181 goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and may
182 degrade the performance of the application running on that processor, especially
183 if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a
184 processor to satisfy some objectives, while taking into account all the
185 constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different
186 strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that
187 compute the new frequency while executing the application, such
188 as~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}.
189 Others used offline methods that may need to run the application and profile
190 it before selecting the new frequency, such
191 as~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}.
192 The methods could be heuristics, exact or brute force methods that satisfy
193 varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be
194 adapted to the execution's environment and the type of the application such as
195 sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous
196 platform, synchronous or asynchronous application, \dots{}
197
198 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing
199 iterative synchronous applications running over heterogeneous grid platforms.  Some
200 works have already been done for such platforms and they can be classified into
201 two types of heterogeneous platforms:
202 \begin{itemize}
203 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
204 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
205 \end{itemize}
206
207 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are
208 executed on the GPUs and the rest are executed on the CPUs.  Luley et
209 al.~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed a
210 heterogeneous cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main
211 goal was to maximize the energy efficiency of the platform during computation by
212 maximizing the number of FLOPS per watt generated.
213 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et
214 al. developed a scheduling algorithm that distributes workloads proportional to
215 the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks
216 must be completed at the same time.  In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU},
217 Rong et al. showed that a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables
218 DVFS gave better energy and performance efficiency than other clusters only
219 composed of CPUs.
220
221 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with
222 heterogeneous CPUs.  Many methods were conceived to reduce the energy
223 consumption of this type of platform.  Naveen et
224 al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} developed a method that
225 minimizes the value of $\mathit{energy}\times \mathit{delay}^2$ (the delay is
226 the sum of slack times that happen during synchronous communications) by
227 dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster.
228 Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed an
229 algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and non
230 critical tasks. The algorithm scales down the frequency of non critical tasks
231 proportionally to their slack and communication times while limiting the
232 performance degradation percentage to less than \np[\%]{10}.
233 In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed a
234 heterogeneous cluster composed of two types of Intel and AMD processors. They
235 use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
236 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and
237 \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, the best
238 frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using
239 some heuristic.  Chen et
240 al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic
241 programming approach to minimize the power consumption of heterogeneous servers
242 while respecting given time constraints.  This approach had considerable
243 overhead.  In contrast to the above described papers, this paper presents the
244 following contributions :
245 \begin{enumerate}
246 \item two new energy and performance models for message passing iterative
247   synchronous applications running over a heterogeneous grid platform. Both models
248   take into account communication and slack times. The models can predict the
249   required energy and the execution time of the application.
250
251 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous grid
252   platforms. The algorithm has a very small overhead and does not need any
253   training or profiling. It uses a new optimization function which
254   simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption
255   of a message passing iterative synchronous application.
256
257 \end{enumerate}
258
259
260
261 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous grid architecture}
262 \label{sec.exe}
263
264 \subsection{The execution time of message passing distributed iterative
265   applications on a heterogeneous platform}
266
267 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
268 passing distributed iterative synchronous applications running over
269 heterogeneous grid platforms. A heterogeneous grid platform could be defined as a collection of
270 heterogeneous computing clusters interconnected via a long distance network which has lower bandwidth 
271 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.
272
273 \begin{figure}[!t]
274   \centering
275   \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
276   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
277   \label{fig:heter}
278 \end{figure}
279
280 The overall execution time of a distributed iterative synchronous application 
281 over a heterogeneous grid consists of the sum of the computation time and 
282 the communication time for every iteration on a node. However, due to the
283 heterogeneous computation power of the computing clusters, slack times may occur
284 when fast nodes have to wait, during synchronous communications, for the slower
285 nodes to finish their computations (see Figure~\ref{fig:heter}).  Therefore, the
286 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task 
287 which has the highest computation time and no slack time.
288
289 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in
290 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling
291 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU
292 and consequently its computing power, the execution time of a program running
293 over that scaled down processor may increase, especially if the program is
294 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling
295 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU
296 as in (\ref{eq:s}).
297 \begin{equation}
298   \label{eq:s}
299   S = \frac{\Fmax}{\Fnew}
300 \end{equation}
301 The execution time of a compute bound sequential program is linearly
302 proportional to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand, message
303 passing distributed applications consist of two parts: computation and
304 communication.  The execution time of the computation part is linearly
305 proportional to the frequency scaling factor $S$ but the communication time is
306 not affected by the scaling factor because the processors involved remain idle
307 during the communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  The
308 communication time for a task is the summation of periods of time that begin
309 with an MPI call for sending or receiving a message until the message is
310 synchronously sent or received.
311
312 Since in a heterogeneous grid each cluster has different characteristics,
313 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on the nodes 
314 of these clusters, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
315 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ where $S_{ij}$ is the scaling factor of processor $j$ in cluster $i$ . To
316 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
317 applications running over a heterogeneous grid, for different vectors of
318 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
319 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
320 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
321 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
322 \begin{equation}
323   \label{eq:perf}
324   \Tnew = \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\TcpOld[ij]} \cdot S_{ij}) 
325   +\mathop{\min_{j=1,\dots,M}}  (\Tcm[hj])
326 \end{equation}
327
328 where $N$ is the number of  clusters in the grid, $M$ is the number of  nodes in
329 each cluster, $\TcpOld[ij]$ is the computation time of processor $j$ in the cluster $i$ 
330 and $\Tcm[hj]$ is the communication time of processor $j$ in the cluster $h$ during the 
331 first  iteration. The model computes the maximum computation time with scaling factor 
332 from each node added to the communication time of the slowest node in the slowest cluster $h$.
333 It means only the communication time without any slack time is taken into account.  
334 Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
335 the execution time of one iteration as in (\ref{eq:perf}) multiplied by the
336 number of iterations of that application.
337
338 This prediction model is developed from the model to predict the execution time
339 of message passing distributed applications for homogeneous and heterogeneous clusters
340 ~\cite{Our_first_paper,pdsec2015}.  The execution time prediction model is
341 used in the method to optimize both the energy consumption and the performance
342 of iterative methods, which is presented in the following sections.
343
344
345 \subsection{Energy model for heterogeneous grid platform}
346
347 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
348   Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
349   Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by
350 a processor into two power metrics: the static and the dynamic power.  While the
351 first one is consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is
352 only consumed during computation times.  The dynamic power $\Pd$ is related to
353 the switching activity $\alpha$, load capacitance $\CL$, the supply voltage $V$
354 and operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
355 \begin{equation}
356   \label{eq:pd}
357   \Pd = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot F
358 \end{equation}
359 The static power $\Ps$ captures the leakage power as follows:
360 \begin{equation}
361   \label{eq:ps}
362    \Ps  = V \cdot \Ntrans \cdot \Kdesign \cdot \Ileak
363 \end{equation}
364 where V is the supply voltage, $\Ntrans$ is the number of transistors,
365 $\Kdesign$ is a design dependent parameter and $\Ileak$ is a
366 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
367 to execute a given program can be computed as:
368 \begin{equation}
369   \label{eq:eind}
370   \Eind =  \Pd \cdot \Tcp + \Ps \cdot T
371 \end{equation}
372 where $T$ is the execution time of the program, $\Tcp$ is the computation
373 time and $\Tcp \le T$.  $\Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
374 communication and no slack time.
375
376 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy
377 consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  The operational
378 frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot
379 F$ with some constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the
380 dynamic voltage with respect to various frequency values
381 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction process of the
382 frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the ratio between
383 the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).  The CPU governors are
384 power schemes supplied by the operating system's kernel to lower a core's
385 frequency. The new frequency $\Fnew$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as
386 follows:
387 \begin{equation}
388   \label{eq:fnew}
389    \Fnew = S^{-1} \cdot \Fmax
390 \end{equation}
391 Replacing $\Fnew$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following
392 equation for dynamic power consumption:
393 \begin{multline}
394   \label{eq:pdnew}
395    \PdNew = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fnew = \alpha \cdot \CL \cdot \beta^2 \cdot \Fnew^3 \\
396    {} = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fmax \cdot S^{-3} = \PdOld \cdot S^{-3}
397 \end{multline}
398 where $\PdNew$  and $\PdOld$ are the  dynamic power consumed with the
399 new frequency and the maximum frequency respectively.
400
401 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of
402 $S^{-3}$ when reducing the frequency by a factor of
403 $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is
404 proportional to the frequency of a CPU, the computation time is increased
405 proportionally to $S$.  The new dynamic energy is the dynamic power multiplied
406 by the new time of computation and is given by the following equation:
407 \begin{equation}
408   \label{eq:Edyn}
409    \EdNew = \PdOld \cdot S^{-3} \cdot (\Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot \PdOld \cdot  \Tcp
410 \end{equation}
411 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed
412 during computation and even when idle. As
413 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling},
414 the static power of a processor is considered as constant during idle and
415 computation periods, and for all its available frequencies.  The static energy
416 is the static power multiplied by the execution time of the program.  According
417 to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the
418 program is the sum of the computation and the communication times. The
419 computation time is linearly related to the frequency scaling factor, while this
420 scaling factor does not affect the communication time.  The static energy of a
421 processor after scaling its frequency is computed as follows:
422 \begin{equation}
423   \label{eq:Estatic}
424   \Es = \Ps \cdot (\Tcp \cdot S  + \Tcm)
425 \end{equation}
426
427 In the considered heterogeneous grid platform, each node $j$ in cluster $i$ may have
428 different dynamic and static powers from the nodes of the other clusters, 
429 noted as $\Pd[ij]$ and $\Ps[ij]$ respectively.  Therefore, even if the distributed 
430 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $j$ 
431 in cluster $i$ noted $\Tcp[ij]$ may be different and different frequency scaling factors may be
432 computed in order to decrease the overall energy consumption of the application
433 and reduce slack times.  The communication time of a processor $j$ in cluster $i$ is noted as
434 $\Tcm[ij]$ and could contain slack times when communicating with slower nodes,
435 see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore, all nodes do not have equal
436 communication times. While the dynamic energy is computed according to the
437 frequency scaling factor and the dynamic power of each node as in
438 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed as the sum of the execution time
439 of one iteration multiplied by the static power of each processor.  The overall
440 energy consumption of a message passing distributed application executed over a
441 heterogeneous grid platform during one iteration is the summation of all dynamic and
442 static energies for $M$ processors in $N$ clusters.  It is computed as follows:
443 \begin{multline}
444   \label{eq:energy}
445  E = \sum_{i=1}^{N} \sum_{i=1}^{M} {(S_{ij}^{-2} \cdot \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])} +  
446  \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot {} \\
447   (\mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\Tcp[ij]} \cdot S_{ij}) 
448   +\mathop{\min_{j=1,\dots M}} (\Tcm[hj]) ))
449 \end{multline}
450
451 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of scaling
452 factors $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ may degrade the performance of the application
453 and thus, increase the static energy because the execution time is
454 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption
455 for the iterative application can be measured by measuring the energy
456 consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) multiplied by the number
457 of iterations of that application.
458
459 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
460 \label{sec.compet}
461
462 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
463 energy efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic
464 power is reduced while scaling down the frequency of a processor, its
465 computation power is proportionally decreased. Hence, the execution time might
466 be drastically increased and during that time, dynamic and static powers are
467 being consumed.  Therefore, it might cancel any gains achieved by scaling down
468 the frequency of all nodes to the minimum and the overall energy consumption of
469 the application might not be the optimal one.  It is not trivial to select the
470 appropriate frequency scaling factor for each processor while considering the
471 characteristics of each processor (computation power, range of frequencies,
472 dynamic and static powers) and the task executed (computation/communication
473 ratio). The aim being to reduce the overall energy consumption and to avoid
474 increasing significantly the execution time.
475 \textcolor{blue}{  In our previous
476 works~\cite{Our_first_paper} and \cite{pdsec2015}, we proposed a methods that select the optimal
477 frequency scaling factors for a homogeneous and a heterogeneous clusters respectively. 
478 Both of the two methods executing a message passing
479 iterative synchronous application while giving the best trade-off between the
480 energy consumption and the performance for such applications.  In this work we
481 are interested in heterogeneous grid as described above.}
482 Due to the
483 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should be selected
484 and it must give the best trade-off between energy consumption and performance.
485
486 The relation between the energy consumption and the execution time for an
487 application is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the
488 execution time and the scaling factor, the relation between the energy and the
489 frequency scaling factors is nonlinear, for more details refer
490 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  Moreover, these relations
491 are not measured using the same metric.  To solve this problem, the execution
492 time is normalized by computing the ratio between the new execution time (after
493 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with
494 maximum frequency for all nodes) as follows:
495 \begin{equation}
496   \label{eq:pnorm}
497   \Pnorm = \frac{\Tnew}{\Told}                 
498 \end{equation}
499
500
501 Where $Tnew$ is computed as in (\ref{eq:perf}) and $Told$ is computed as in (\ref{eq:told})
502 \begin{equation}
503   \label{eq:told}
504    \Told = \mathop{\max_{i=1,2,\dots,N}}_{j=1,2,\dots,M} (\Tcp[ij]+\Tcm[ij])             
505 \end{equation}
506 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the
507 consumed energy while scaling down the frequency and the consumed energy with
508 maximum frequency for all  nodes:
509 \begin{equation}
510   \label{eq:enorm}
511   \Enorm = \frac{\Ereduced}{\Eoriginal} 
512 \end{equation}
513
514 Where $\Ereduced$  is computed using (\ref{eq:energy}) and $\Eoriginal$ is 
515 computed as in (\ref{eq:eorginal}).
516
517
518 \begin{equation}
519   \label{eq:eorginal}
520     \Eoriginal = \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} ( \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])  + 
521      \mathop{\sum_{i=1}^{N}} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot \Told)       
522 \end{equation}
523
524 While the main goal is to optimize the energy and execution time at the same
525 time, the normalized energy and execution time curves do not evolve (increase/decrease) in the same way. 
526 According to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the
527 vector of frequency scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy
528 and the execution time simultaneously.  But the main objective is to produce
529 maximum energy reduction with minimum execution time reduction.
530
531 This problem can be solved by making the optimization process for energy and
532 execution time follow the same evolution according to the vector of scaling factors
533 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$. Therefore, the equation of the
534 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance
535 equation, as follows:
536 \begin{equation}
537   \label{eq:pnorm_inv}
538   \Pnorm = \frac{\Told}{\Tnew}          
539 \end{equation}
540
541 \begin{figure}[!t]
542   \centering
543   \subfloat[Homogeneous cluster]{%
544     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
545
546   \subfloat[Heterogeneous grid]{%
547     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
548   \label{fig:rel}
549   \caption{The energy and performance relation}
550 \end{figure}
551
552 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
553 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
554 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
555 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
556 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} or
557 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
558 \begin{equation}
559   \label{eq:max}
560   \MaxDist =
561 \mathop{  \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}}_{k=1,\dots,F}
562       (\overbrace{\Pnorm(S_{ijk})}^{\text{Maximize}} -
563        \overbrace{\Enorm(S_{ijk})}^{\text{Minimize}} )
564 \end{equation}
565 where $N$ is the number of clusters, $M$ is the number of nodes in each cluster and
566 $F$ is the number of available frequencies for each node.  Then, the optimal set 
567 of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
568 The objective function can work with any energy model or any power 
569 values for each node (static and dynamic powers). However, the most important 
570 energy reduction gain can be achieved when the energy curve has a convex form as shown 
571 in~\cite{Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Hao_Learning.based.DVFS}.
572
573 \section{The scaling factors selection algorithm for  grids }
574 \label{sec.optim}
575
576 \begin{algorithm}
577   \begin{algorithmic}[1]
578     % \footnotesize
579     \Require ~
580     \begin{description}
581     \item [{$N$}] number of clusters in the grid.
582     \item [{$M$}] number of nodes in each cluster.
583     \item[{$\Tcp[ij]$}] array of all computation times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
584     \item[{$\Tcm[ij]$}] array of all communication times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
585     \item[{$\Fmax[ij]$}] array of the maximum frequencies for all nodes.
586     \item[{$\Pd[ij]$}] array of the dynamic powers for all nodes.
587     \item[{$\Ps[ij]$}] array of the static powers for all nodes.
588     \item[{$\Fdiff[ij]$}] array of the differences between two successive frequencies for all nodes.
589     \end{description}
590     \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
591
592     \State $\Scp[ij] \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\max_{j=1,2,\dots,M_i}(\Tcp[ij]))}{\Tcp[ij]} $
593     \State $F_{ij} \gets  \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[i]},~{i=1,2,\cdots,N},~{j=1,2,\dots,M_i}.$
594     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest  available frequency for each node.
595     \If{(not the first frequency)}
596           \State $F_{ij} \gets F_{ij}+\Fdiff[ij],~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}.$
597     \EndIf
598     \State $\Told \gets $ computed as in equations (\ref{eq:told}).
599     \State $\Eoriginal \gets $ computed as in equations (\ref{eq:eorginal}) .
600     \State $\Sopt[ij] \gets 1,~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}. $
601     \State $\Dist \gets 0 $
602     \While {(all nodes have not reached their  minimum   \newline\hspace*{2.5em} frequency \textbf{or}  $\Pnorm - \Enorm < 0 $)}
603         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
604         \State $F_{ij} \gets F_{ij} - \Fdiff[ij],~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}$.
605         \State $S_{ij} \gets \frac{\Fmax[ij]}{F_{ij}},~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}.$
606         \EndIf
607        \State $\Tnew \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:perf}). 
608        \State $\Ereduced \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:energy}). 
609        \State $\Pnorm \gets \frac{\Told}{\Tnew}$
610        \State $\Enorm\gets \frac{\Ereduced}{\Eoriginal}$
611       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
612         \State $\Sopt[ij] \gets S_{ij},~i=1,\dots,N,~j=1,\dots,M_i. $
613         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
614       \EndIf
615     \EndWhile
616     \State  Return $\Sopt[11],\Sopt[12],\dots,\Sopt[NM_i]$
617   \end{algorithmic}
618   \caption{Scaling factors selection algorithm}
619   \label{HSA}
620 \end{algorithm}
621
622 \begin{algorithm}
623   \begin{algorithmic}[1]
624     % \footnotesize
625     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
626       \State Computations section.
627       \State Communications section.
628       \If {$(k=1)$}
629         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
630                communication from each node.
631         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
632         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
633                returned optimal scaling factors.
634         \State Set the new frequencies to nodes.
635       \EndIf
636     \EndFor
637   \end{algorithmic}
638   \caption{DVFS algorithm}
639   \label{dvfs}
640 \end{algorithm}
641
642
643 In this section, the scaling factors selection algorithm for  grids, algorithm~\ref{HSA}, is presented. It selects the vector of the frequency
644 scaling factors  that gives the best trade-off between minimizing the
645 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
646 synchronous iterative application executed on a  grid. It works
647 online during the execution time of the iterative message passing program.  It
648 uses information gathered during the first iteration such as the computation
649 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
650 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
651 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
652 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
653 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
654 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
655 scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
656
657 \begin{figure}[!t]
658   \centering
659   \includegraphics[scale=0.45]{fig/init_freq}
660   \caption{Selecting the initial frequencies}
661   \label{fig:st_freq}
662 \end{figure}
663
664 Nodes from distinct clusters in a grid have different computing powers, thus
665 while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes
666 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
667 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
668 periods are called idle or slack times.  The algorithm takes into account this
669 problem and tries to reduce these slack times when selecting the vector of the frequency
670 scaling factors. At first, it selects initial frequency scaling factors
671 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
672 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
673 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
674 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
675 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
676 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
677 \begin{equation}
678   \label{eq:Scp}
679   \Scp[ij] =  \frac{ \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}(\Tcp[ij])} {\Tcp[ij]}
680 \end{equation}
681 Using the initial frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the
682 algorithm computes the initial frequencies for all nodes as a ratio between the
683 maximum frequency of node $i$ and the computation scaling factor $\Scp[i]$ as
684 follows:
685 \begin{equation}
686   \label{eq:Fint}
687   F_{ij} = \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[ij]},~{i=1,2,\dots,N},~{j=1,\dots,M}
688 \end{equation}
689 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
690 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
691 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing powers in
692 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
693 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
694 frequencies are highlighted in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
695 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
696 optimal vector of frequencies because selecting higher frequencies
697 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
698 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
699 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
700 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
701 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.
702 A negative distance means that the performance degradation ratio is higher than the energy saving ratio.
703 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. 
704
705 Therefore, the algorithm iterates on all remaining frequencies, from the higher
706 bound until all nodes reach their minimum frequencies or their lower bounds, to compute the overall
707 energy consumption and performance and selects the optimal vector of the frequency scaling
708 factors. At each iteration the algorithm determines the slowest node
709 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged,
710 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
711 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
712 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
713 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
714
715 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2} illustrate the normalized performance and
716 consumed energy for an application running on a homogeneous cluster and a
717  grid platform respectively while increasing the scaling factors. It can
718 be noticed that in a homogeneous cluster the search for the optimal scaling
719 factor should start from the maximum frequency because the performance and the
720 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand, in
721 the  grid platform the performance is maintained at the beginning of the
722 plot even if the frequencies of the faster nodes decrease until the computing
723 power of scaled down nodes are lower than the slowest node. In other words,
724 until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher the
725 difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger the
726 maximum distance between the energy curve and the performance curve is, which results in bigger energy savings. 
727
728
729 \section{Experimental results}
730 \label{sec.expe}
731 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}, 
732 in this paper real experiments were conducted over the grid'5000 platform. 
733
734 \subsection{Grid'5000 architature and power consumption}
735 \label{sec.grid5000}
736 Grid'5000~\cite{grid5000} is a large-scale testbed that consists of ten sites distributed over all metropolitan France and Luxembourg. All the sites are connected together via         a special long distance network called RENATER,
737 which is the French National Telecommunication Network for Technology.
738 Each site of the grid is composed of few heterogeneous 
739 computing clusters and each cluster contains many homogeneous nodes. In total,
740 grid'5000 has about  one thousand heterogeneous nodes and eight thousand cores.  In each site,
741 the clusters and their nodes are connected via  high speed local area networks. 
742 Two types of local networks are used, Ethernet or Infiniband networks which have  different characteristics in terms of bandwidth and latency.  
743
744 Since grid'5000 is dedicated for 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 
745 the power consumption  for each node in those sites. The measured power is the overall consumed power by by all the components of a node at a given instant, such as CPU, hard drive, main-board, memory, ...  For more details refer to
746 \cite{Energy_measurement}. To just measure the CPU power of one core in a node $j$, 
747  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 consumption represents the 
748 dynamic power consumption of that core with the maximum frequency, see  figure(\ref{fig:power_cons}). 
749
750
751 The dynamic power $\Pd[j]$ is computed as in equation (\ref{eq:pdyn})
752 \begin{equation}
753   \label{eq:pdyn}
754     \Pd[j] = \max_{x=\beta_1,\dots \beta_2} (\Pmax[jx])  -  \min_{y=\Theta_1,\dots \Theta_2} (\Pidle[jy])
755 \end{equation}
756
757 where $\Pd[j]$ is the dynamic power consumption for one core of node $j$, 
758 $\lbrace \beta_1,\beta_2 \rbrace$ is the time interval for the measured maximum power values, 
759 $\lbrace\Theta_1,\Theta_2\rbrace$ is the time interval for the measured  idle power values.
760 Therefore, the dynamic power of one core is computed as the difference between the maximum 
761 measured value in maximum powers vector and the minimum measured value in the idle powers vector.
762
763 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.
764
765 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}).
766
767 Four clusters from the two sites were selected in the experiments: one cluster from 
768 Lyon's site, Taurus cluster, and three clusters from Nancy's site, Graphene, 
769 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 
770 frequency ranges and local network features: the bandwidth and the latency.  Table \ref{table:grid5000} shows 
771 the details characteristics of these four clusters. Moreover, the dynamic powers were computed  using the equation (\ref{eq:pdyn}) for all the nodes in the 
772 selected clusters and are presented in table  \ref{table:grid5000}.
773
774
775 \begin{figure}[!t]
776   \centering
777   \includegraphics[scale=1]{fig/grid5000}
778   \caption{The selected two sites of grid'5000}
779   \label{fig:grid5000}
780 \end{figure}
781
782 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.
783 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.
784 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, the class D was used for all benchmarks in all the experiments presented in the next sections. 
785
786
787
788
789 \begin{figure}[!t]
790   \centering
791   \includegraphics[scale=0.6]{fig/power_consumption.pdf}
792   \caption{The power consumption by one core from Taurus cluster}
793   \label{fig:power_cons}
794 \end{figure}
795
796
797
798   
799 \begin{table}[!t]
800   \caption{CPUs characteristics of the selected clusters}
801   % title of Table
802   \centering
803   \begin{tabular}{|*{7}{c|}}
804     \hline
805     Cluster     & CPU         & Max   & Min   & Diff. & no. of cores    & dynamic power   \\
806     Name        & model       & Freq. & Freq. & Freq. & per CPU         & of one core     \\
807                 &             & GHz   & GHz   & GHz   &                 &           \\
808     \hline
809     Taurus      & Intel       & 2.3  & 1.2  & 0.1     & 6               & \np[W]{35} \\
810                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
811                 & E5-2630     &       &       &       &                 &            \\         
812     \hline
813     Graphene    & Intel       & 2.53  & 1.2   & 0.133 & 4               & \np[W]{23} \\
814                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
815                 & X3440       &       &       &       &                 &            \\    
816     \hline
817     Griffon     & Intel       & 2.5   & 2     & 0.5   & 4               & \np[W]{46} \\
818                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
819                 & L5420       &       &       &       &                 &            \\  
820     \hline
821     Graphite    & Intel       & 2     & 1.2   & 0.1   & 8               & \np[W]{35} \\
822                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
823                 & E5-2650     &       &       &       &                 &            \\  
824     \hline
825   \end{tabular}
826   \label{table:grid5000}
827 \end{table} 
828
829
830
831 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
832 \label{sec.res}
833 In this section, the results of the application of the scaling factors selection algorithm \ref{HSA} 
834 to the NAS parallel benchmarks are presented. 
835
836 As mentioned previously, the experiments 
837 were conducted over two sites of grid'5000,  Lyon and Nancy sites. 
838 Two scenarios were considered while selecting the clusters from these two sites :
839 \begin{itemize}
840 \item In the first scenario, nodes from two sites and three heterogeneous clusters were selected. The two sites are connected 
841  via a long distance network.
842 \item In the second scenario nodes from three clusters that are located in one site, Nancy site.  
843 \end{itemize}
844
845 The main reason 
846 behind using these two scenarios is to evaluate the influence of long distance communications (higher latency) on the performance of the 
847 scaling factors selection algorithm. Indeed, in the first scenario the computations to communications ratio 
848 is very low due to the higher communication times which reduces the effect of DVFS operations.
849
850 The NAS parallel benchmarks are executed over 
851 16 and 32 nodes for each scenario. The number of participating computing nodes form each cluster 
852 are 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.
853 Table \ref{tab:sc} shows the number of nodes used from each cluster for each scenario. 
854
855 \begin{table}[h]
856
857 \caption{The different clusters scenarios}
858 \centering
859 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
860 \hline
861 \multirow{2}{*}{Scenario name}        & \multicolumn{3}{c|} {The participating clusters} \\ \cline{2-4} 
862                                       & Cluster & Site           & No. of  nodes     \\ 
863 \hline
864 \multirow{3}{*}{Two sites / 16 nodes} & Taurus & Lyon                & 5                      \\ \cline{2-4} 
865                                       & Graphene  & Nancy             & 5                      \\ \cline{2-4} 
866                                       & Griffon       & Nancy        & 6                      \\ 
867 \hline
868 \multirow{3}{*}{Tow sites / 32 nodes} & Taurus  & Lyon               & 10                     \\ \cline{2-4} 
869                                       & Graphene  & Nancy             & 10                     \\ \cline{2-4} 
870                                       & Griffon     &Nancy           & 12                     \\ 
871 \hline
872 \multirow{3}{*}{One site / 16 nodes}  & Graphite    & Nancy            & 4                      \\ \cline{2-4} 
873                                       & Graphene     & Nancy           & 6                      \\ \cline{2-4} 
874                                       & Griffon         & Nancy        & 6                      \\ 
875 \hline
876 \multirow{3}{*}{One site / 32 nodes}  & Graphite   & Nancy             & 4                      \\ \cline{2-4} 
877                                       & Graphene      & Nancy          & 12                     \\ \cline{2-4} 
878                                       & Griffon          & Nancy       & 12                       \\ 
879 \hline
880 \end{tabular}
881  \label{tab:sc}
882 \end{table}
883
884 \begin{figure}
885   \centering
886   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_con_scenarios.eps}
887   \caption{The energy consumptions of NAS benchmarks over different scenarios }
888   \label{fig:eng_sen}
889 \end{figure}
890
891
892
893 \begin{figure}
894   \centering
895   \includegraphics[scale=0.5]{fig/time_scenarios.eps}
896   \caption{The execution times of NAS benchmarks over different scenarios }
897   \label{fig:time_sen}
898 \end{figure}
899
900 The NAS parallel benchmarks are executed over these two platforms
901  with different number of nodes, as in Table \ref{tab:sc}. 
902 The overall energy consumption of all the benchmarks solving the class D instance and
903 using the proposed frequency selection algorithm is measured 
904 using the equation of the reduced energy consumption, equation 
905 (\ref{eq:energy}). This model uses the measured dynamic and static 
906 power values  showed in Table \ref{table:grid5000}. The execution
907 time is measured for all the benchmarks over these different scenarios.  
908
909 The energy consumptions  and the execution times for all the benchmarks are 
910 presented in the plots \ref{fig:eng_sen} and \ref{fig:time_sen} respectively. 
911
912 For the majority of the benchmarks, the energy consumed while executing  the NAS benchmarks over one site scenario 
913 for  16 and 32 nodes is lower than the energy consumed while using two sites. 
914 The long distance communications between the two distributed sites increase the idle time, which leads to more static energy consumption. 
915
916 The execution times of these benchmarks 
917 over one site with 16 and 32 nodes are also lower when  compared to those of the  two sites 
918 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).  
919
920 However, the  execution times and the energy consumptions of EP and MG benchmarks, which have no or small communications, are not significantly affected 
921  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.
922
923 \begin{figure}
924   \centering
925   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_s.eps}
926   \caption{The energy saving of NAS benchmarks over different scenarios }
927   \label{fig:eng_s}
928 \end{figure}
929
930
931 \begin{figure}
932   \centering
933   \includegraphics[scale=0.5]{fig/per_d.eps}
934   \caption{The performance degradation of NAS benchmarks over different scenarios }
935   \label{fig:per_d}
936 \end{figure}
937
938
939 \begin{figure}
940   \centering
941   \includegraphics[scale=0.5]{fig/dist.eps}
942   \caption{The tradeoff distance of NAS benchmarks over different scenarios }
943   \label{fig:dist}
944 \end{figure}
945
946 The energy saving percentage is computed as the ratio between the reduced 
947 energy consumption, equation (\ref{eq:energy}), and the original energy consumption,
948 equation (\ref{eq:eorginal}), for all benchmarks as in figure \ref{fig:eng_s}. 
949 This figure shows that the energy saving percentages of one site scenario for
950 16 and 32 nodes are bigger than those of the two sites scenario which is due
951 to the higher  computations to communications ratio in the first scenario   
952 than in the second one. Moreover, the frequency selecting algorithm selects smaller frequencies when the computations times are bigger than the communication times which 
953 results in  a lower energy consumption. Indeed, the dynamic  consumed power
954 is exponentially related to the CPU's frequency value. On the other side, the increase in the number of computing nodes can 
955 increase the communication times and thus produces less energy saving depending on the 
956 benchmarks being executed. The results of the benchmarks CG, MG, BT and FT show more 
957 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. 
958
959
960 The energy saving percentage is reduced for all the benchmarks because of the long distance communications in the two sites 
961 scenario, except for the   EP benchmark which has  no communications. Therefore, the energy saving percentage of this benchmark is 
962 dependent on the maximum difference between the computing powers of the heterogeneous computing nodes, for example 
963 in the one site scenario, the graphite cluster is selected but in the two sits scenario 
964 this cluster is replaced with Taurus cluster which is more powerful. 
965 Therefore, the energy saving of EP benchmarks are bigger in the two sites scenario due 
966 to the higher maximum difference between the computing powers of the nodes. 
967
968 In fact, high differences between the nodes' computing powers make the proposed frequencies selecting  
969 algorithm  select smaller frequencies for the powerful nodes which 
970 produces less energy consumption and thus more energy saving.
971 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\%.
972
973
974 Figure \ref{fig:per_d} presents the performance degradation percentages for all benchmarks over the two scenarios.
975 The performance degradation percentage for the benchmarks running on two sites  with
976 16 or 32  nodes is on average equal to 8\% or 4\% respectively. 
977 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
978 16 or 32  nodes is on average equal to 3\% or 10\% respectively. In opposition 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 
979 nodes when the communications occur in high speed network does not decrease the computations to 
980 communication ratio. 
981
982 The performance degradation percentage of the EP benchmark after applying the scaling factors selection algorithm is the highest in comparison to 
983 the other benchmarks. Indeed, in the EP benchmark, there are no communication and slack times and its 
984 performance degradation percentage only depends on the frequencies values selected by the algorithm for the computing nodes.
985 The rest of the benchmarks showed different performance degradation percentages, which decrease
986 when the communication times increase and vice versa.
987
988 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 
989 computed as in equation \ref{eq:max}. The one site scenario with 16 nodes gives the best energy and performance 
990 tradeoff, on average it is equal to  26\%. The one site scenario using both 16 and 32 nodes had better energy and performance 
991 tradeoff comparing to the two sites scenario  because the former has high speed local communications 
992 which increase the computations to communications ratio  and the latter uses long distance communications which decrease this ratio. 
993
994
995  Finally, the best energy and performance tradeoff depends on all of the following:
996 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.
997
998
999
1000
1001 \subsection{The experimental results of multi-cores clusters}
1002 \label{sec.res-mc}
1003 The  clusters of grid'5000 have different number of cores embedded in their nodes
1004 as shown in Table \ref{table:grid5000}. The cores of each node can exchange 
1005 data via the shared memory \cite{rauber_book}. In 
1006 this section, the proposed scaling algorithm is evaluated over the grid'5000 grid while using multi-core nodes 
1007 selected according to the two  platform scenarios described in the section \ref{sec.res}.
1008 The two platform scenarios, the two sites and one site scenarios, use  32 
1009 cores from multi-cores nodes instead of 32 distinct nodes. For example if 
1010 the participating number of cores from a certain cluster is equal to 12, 
1011 in the multi-core scenario the selected nodes is equal to 3 nodes while using 
1012 4 cores from each node. The platforms with one  
1013 core per node and  multi-cores nodes are  shown in Table \ref{table:sen-mc}. 
1014 The energy consumptions and execution times of running the NAS parallel 
1015 benchmarks, class D, over these four different scenarios are presented 
1016 in the figures \ref{fig:eng-cons-mc} and \ref{fig:time-mc} respectively.
1017
1018 The execution times for most of  the NAS  benchmarks are higher over the one site multi-cores per node scenario 
1019  than the execution time of those running over one site single core per node  scenario. Indeed,  
1020    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. 
1021    
1022  \textcolor{blue}{On the other hand,  the execution times for most of the NAS benchmarks  are lower over 
1023 the two sites  multi-cores scenario than those over the two sites one core scenario.   ???????
1024 }
1025
1026 The experiments showed that for most of the NAS benchmarks and between the four scenarios,  
1027 the one site one core scenario gives the best execution times because the communication times are the lowest. 
1028 Indeed, in this scenario each core has a dedicated network link and all the communications are local.  
1029 Moreover, the energy consumptions of the NAS benchmarks are lower over the 
1030 one site one core scenario  than over the one site multi-cores scenario because 
1031 the first scenario had less execution time than the latter which results in less static energy being consumed.
1032
1033 The computations to communications ratios of the NAS benchmarks are higher over 
1034 the one site one core scenario  when compared to the ratios of the other scenarios. 
1035 More energy reduction was achieved when this ratio is increased because the proposed scaling algorithm selects smaller frequencies that decrease the dynamic power consumption. 
1036
1037   \textcolor{blue}{ Whereas, the energy consumption in the two sites one core scenario is higher than the energy consumption of the two sites multi-core scenario. This is according to the increase in the execution time of the two sites one core scenario. }
1038
1039
1040 These experiments also showed that the energy 
1041 consumption and the execution times of the EP and MG benchmarks do not change significantly over these four 
1042 scenarios  because there are no or small communications,  
1043 which could increase or decrease the static power consumptions. Contrary to EP and MG, the  energy consumptions 
1044 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.
1045
1046
1047 The energy saving percentages of all NAS benchmarks running over these four scenarios are presented in the figure \ref{fig:eng-s-mc}. It shows that  the energy saving percentages   over the two sites multi-cores scenario 
1048 and over the two sites one core scenario are on average  equal to 22\% and 18\%
1049 respectively. The energy saving percentages   are higher in the former scenario because  its computations to communications  ratio is higher than the ratio of the latter scenario  as mentioned previously.
1050
1051 In contrast, in the one site one 
1052 core and one site multi-cores scenarios the energy saving percentages 
1053 are approximately equivalent, on average they are up to 25\%. In both scenarios there 
1054 are a small difference  in the computations to communications ratios, which leads 
1055 the proposed scaling algorithm to select similar frequencies for both scenarios.  
1056
1057 The performance degradation percentages of the NAS benchmarks are presented in
1058 figure \ref{fig:per-d-mc}. It shows that the performance degradation percentages for the NAS benchmarks are higher over the two sites 
1059 multi-cores scenario than over the  two sites  one core scenario, equal on average to 7\% and 4\% respectively. 
1060 Moreover, using the two sites multi-cores scenario increased 
1061 the computations to communications ratio, which may increase 
1062 the overall execution time  when the proposed scaling algorithm is applied and the frequencies scaled down.  
1063
1064
1065 When the benchmarks are executed  over the one 
1066 site one core scenario, their performance degradation percentages are equal  on average
1067 to 10\% and are higher than those executed over the one site multi-cores scenario, 
1068 which on average is equal to 7\%. 
1069
1070 \textcolor{blue}{
1071 The performance degradation percentages over one site multi-cores is lower because  the computations to communications ratio is decreased. Therefore, selecting bigger 
1072 frequencies by the scaling algorithm are proportional to this ratio, and thus the execution time do not increase significantly.}
1073
1074
1075 The tradeoff distance percentages of the NAS 
1076 benchmarks over all scenarios are presented in the figure \ref{fig:dist-mc}.
1077 These  tradeoff distance percentages are used to verify which scenario is the best in terms of energy reduction and performance. The figure shows that using muti-cores in both of the one site and two sites scenarios gives bigger  tradeoff distance percentages, on overage equal to 17.6\% and 15.3\% respectively, than using one core per node in both of one site and two sites scenarios,  on average  equal to 14.7\% and 13.3\% respectively. 
1078
1079 \begin{table}[]
1080 \centering
1081 \caption{The multicores scenarios}
1082
1083 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
1084 \hline
1085 Scenario name                          & Cluster name & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  nodes\\ in each cluster\end{tabular} & 
1086                                        \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  cores\\ for each node\end{tabular}  \\ \hline
1087 \multirow{3}{*}{Two sites/ one core}   & Taurus       & 10              & 1                   \\ \cline{2-4}
1088                                        & Graphene     & 10              & 1                   \\ \cline{2-4}
1089                                        & Griffon      & 12              & 1                   \\ \hline
1090 \multirow{3}{*}{Two sites/ multicores} & Taurus       & 3               & 3 or 4              \\ \cline{2-4}
1091                                        & Graphene     & 3               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
1092                                        & Griffon      & 3               & 4                   \\ \hline
1093 \multirow{3}{*}{One site/ one core}    & Graphite     & 4               & 1                   \\  \cline{2-4}
1094                                        & Graphene     & 12              & 1                   \\  \cline{2-4}
1095                                        & Griffon      & 12              & 1                   \\ \hline
1096 \multirow{3}{*}{One site/ multicores}  & Graphite     & 3               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
1097                                        & Graphene     & 3               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
1098                                        & Griffon      & 3               & 4                   \\ \hline
1099 \end{tabular}
1100 \label{table:sen-mc}
1101 \end{table}
1102
1103 \begin{figure}
1104   \centering
1105   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_con.eps}
1106   \caption{Comparing the  energy consumptions of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
1107   \label{fig:eng-cons-mc}
1108 \end{figure}
1109
1110
1111   \begin{figure}
1112   \centering
1113   \includegraphics[scale=0.5]{fig/time.eps}
1114   \caption{Comparing the  execution times of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
1115   \label{fig:time-mc}
1116 \end{figure}
1117
1118  \begin{figure}
1119   \centering
1120   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_s_mc.eps}
1121   \caption{The energy saving of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
1122   \label{fig:eng-s-mc}
1123 \end{figure}
1124
1125 \begin{figure}
1126   \centering
1127   \includegraphics[scale=0.5]{fig/per_d_mc.eps}
1128   \caption{The performance degradation of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
1129   \label{fig:per-d-mc}
1130 \end{figure}
1131
1132 \begin{figure}
1133   \centering
1134   \includegraphics[scale=0.5]{fig/dist_mc.eps}
1135   \caption{The tradeoff distance of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
1136   \label{fig:dist-mc}
1137 \end{figure}
1138
1139 \subsection{Experiments with different static and dynamic powers consumption scenarios}
1140 \label{sec.pow_sen}
1141
1142 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. 
1143
1144 The aim of  this section is to evaluate the scaling algorithm while assuming different values of static powers. 
1145 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.
1146 The experiments have been executed with these two new static power scenarios  over the one site one core per node scenario.
1147 In these experiments, the class D of the NAS parallel benchmarks are executed over Nancy's site. 16 computing nodes from the three clusters, Graphite, Graphene and Griffon, where used in this experiment. 
1148
1149  \begin{figure}
1150   \centering
1151   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_pow.eps}
1152   \caption{The energy saving percentages for NAS benchmarks of the three power scenario}
1153   \label{fig:eng-pow}
1154 \end{figure}
1155
1156 \begin{figure}
1157   \centering
1158   \includegraphics[scale=0.5]{fig/per_pow.eps}
1159   \caption{The performance degradation percentages for NAS benchmarks of the three power scenario}
1160   \label{fig:per-pow}
1161 \end{figure}
1162
1163
1164 \begin{figure}
1165   \centering
1166   \includegraphics[scale=0.5]{fig/dist_pow.eps}
1167   \caption{The tradeoff distance for NAS benchmarks of the three power scenario}
1168   \label{fig:dist-pow}
1169 \end{figure}
1170
1171 \begin{figure}
1172   \centering
1173   \includegraphics[scale=0.47]{fig/three_scenarios.pdf}
1174   \caption{Comparing the selected frequency scaling factors of MG benchmark for three static power scenarios}
1175   \label{fig:fre-pow}
1176 \end{figure}
1177
1178 The energy saving percentages of the NAS benchmarks with the three static power scenarios are presented 
1179 in figure \ref{fig:eng_sen}. This figure shows that the  10\% of static power scenario 
1180 gives the biggest energy saving percentages in comparison to the 20\% and 30\% static power 
1181 scenarios. The small value of the static power consumption makes the proposed 
1182 scaling algorithm  select smaller frequencies for the CPUs. 
1183 These smaller frequencies reduce the dynamic energy consumption more than increasing the consumed static energy which gives             less overall energy consumption. 
1184 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.
1185
1186 The performance degradation percentages are presented in the figure \ref{fig:per-pow}.
1187 The 30\% static power scenario had less performance degradation percentage  because the scaling algorithm
1188 had  selected big frequencies for the CPUs. While, 
1189 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 
1190 are presented in the figure \ref{fig:dist}. 
1191 It shows that the best  tradeoff
1192 distance percentage is obtained with  the  10\% static power scenario  and this percentage 
1193 is decreased for the other two scenarios because the scaling algorithm had selected different frequencies according to the static power values.
1194
1195 In the EP benchmark, the energy saving, performance degradation and tradeoff 
1196 distance percentages for the 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.
1197
1198
1199  
1200 \subsection{The comparison of the proposed frequencies selecting algorithm }
1201 \label{sec.compare_EDP}
1202
1203 Finding the frequencies that gives the best tradeoff between the energy consumption and the performance for a parallel 
1204 application is not a trivial task.  Many algorithms have been proposed to tackle this problem.  
1205 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}. 
1206 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 
1207 architecture. Their online algorithm predicts the energy consumption and execution time of a processor before using the EDP method.
1208
1209 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
1210 execution time model, equation \ref{eq:perf}, to predict the energy consumption and the execution time for each computing node.
1211 Moreover, both algorithms start the search space from the upper bound computed as in equation   \ref{eq:Fint}.
1212 Finally, the resulting EDP algorithm is an exhaustive search algorithm that tests all the possible frequencies, starting from the initial frequencies (upper bound), 
1213 and selects the vector of frequencies that minimize the EDP product.
1214
1215 Both algorithms were applied to the class D of the NAS benchmarks over 16 nodes.
1216 The participating computing nodes are distributed  according to the two scenarios described in  section \ref{sec.res}. 
1217 The experimental results, the energy saving, performance degradation and tradeoff distance percentages, are 
1218 presented in the figures \ref{fig:edp-eng}, \ref{fig:edp-perf} and \ref{fig:edp-dist} respectively.
1219
1220
1221 \begin{figure}
1222   \centering
1223   \includegraphics[scale=0.5]{fig/edp_eng}
1224   \caption{Comparing of the energy saving for the proposed method with EDP method}
1225   \label{fig:edp-eng}
1226 \end{figure}
1227 \begin{figure}
1228   \centering
1229   \includegraphics[scale=0.5]{fig/edp_per}
1230   \caption{Comparing of the performance degradation for the proposed method with EDP method}
1231   \label{fig:edp-perf}
1232 \end{figure}
1233 \begin{figure}
1234   \centering
1235   \includegraphics[scale=0.5]{fig/edp_dist}
1236   \caption{Comparing of the tradeoff distance for the proposed method with EDP method}
1237   \label{fig:edp-dist}
1238 \end{figure}
1239
1240
1241
1242 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. 
1243 The proposed algorithm gives better results than EDP  because it 
1244 maximizes the energy saving and the performance at the same time. 
1245 Moreover, the proposed scaling algorithm gives the same weight for these two metrics.
1246 Whereas, the EDP algorithm gives sometimes negative tradeoff values for some benchmarks in the two sites scenarios.
1247 These negative tradeoff values mean that the performance degradation percentage is higher than energy saving percentage.
1248 The high positive values of the tradeoff distance percentage mean that the  energy saving percentage is much higher than the performance degradation percentage. 
1249 The time complexity of both Maxdist and EDP algorithms are $O(N \cdot M \cdot F)$ and 
1250 $O(N \cdot M \cdot F^2)$ respectively, where $N$ is the number of the clusters, $M$ is the number of nodes and $F$ is the 
1251 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.  
1252
1253
1254
1255 \section{Conclusion}
1256 \label{sec.concl}
1257 This paper has presented a new online frequencies selection algorithm.
1258  The algorithm selects the best vector of 
1259 frequencies that maximizes  the tradeoff distance 
1260 between the predicted energy consumption and the predicted execution time of the distributed 
1261 iterative applications running over a heterogeneous grid. A new energy model 
1262 is used by the proposed algorithm to predict the energy consumption 
1263 of the distributed iterative message passing application running over a grid architecture.
1264 To evaluate the proposed method on a real heterogeneous grid platform, it was applied on the  
1265  NAS parallel benchmarks   and the  class D instance was executed over the  grid'5000 testbed platform. 
1266  The experimental results showed that the algorithm reduces  on average 30\% of the energy consumption
1267 for all the NAS benchmarks   while  only degrading by 3\% on average  the performance. 
1268 The Maxdist algorithm was also evaluated in different scenarios that vary in the distribution of the computing nodes between different clusters' sites,  use one core or multi-cores per node or assume different values for the consumed static power. The algorithm selects different vector of frequencies according to the 
1269 computations and communication times ratios, and  the values of the static and measured dynamic powers of the CPUs. 
1270 Finally, the proposed algorithm was compared to another method that uses
1271 the well known energy and delay product as an objective function. The comparison results showed 
1272 that the proposed algorithm outperforms the latter by selecting a vector of frequencies that gives a better tradeoff  between energy consumption reduction and performance. 
1273
1274 In the near future, we would like to develop a similar method that is adapted to
1275 asynchronous iterative applications where iterations are not synchronized and communications are overlapped with computations. 
1276  The development of
1277 such a method might require a new energy model because the
1278 number of iterations is not known in advance and depends on
1279 the global convergence of the iterative system.
1280
1281
1282
1283 \section*{Acknowledgment}
1284
1285 This work  has been  partially supported by  the Labex ACTION  project (contract
1286 ``ANR-11-LABX-01-01'').  Computations  have been performed  on the Grid'5000 platform. As  a  PhD student,
1287 Mr. Ahmed  Fanfakh, would  like to  thank the University  of Babylon  (Iraq) for
1288 supporting his work.
1289
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1299
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