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54 \begin{document} 
55
56 \title{Energy Consumption Reduction in a Heterogeneous Architecture Using DVFS}
57  
58 \author{% 
59   \IEEEauthorblockN{%
60     Jean-Claude Charr,
61     Raphaël Couturier,
62     Ahmed Fanfakh and
63     Arnaud Giersch
64   } 
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 Green computing emphasizes the importance of energy conservation, minimizing the negative impact 
80 on the environment while achieving high performance and minimizing operating costs. So, energy reduction 
81 process in a high performance clusters it can be archived using dynamic voltage and frequency 
82 scaling (DVFS) technique, through reducing the frequency of a CPU. Using DVFS to lower levels 
83 result in a high increase in performance degradation ratio. Therefore selecting the best frequencies 
84 must give the best possible tradeoff between the energy and the performance of parallel program.
85
86 In this paper we present a new online heterogeneous scaling algorithm that selects the best vector 
87 of frequency scaling factors. These factors give the best tradeoff between the energy saving and the
88 performance degradation. The algorithm has small overhead and works without training and profiling.
89 We developed a new energy model for distributed iterative application running on heterogeneous cluster. 
90 The proposed algorithm experimented  on Simgrid simulator that applying the NAS parallel benchmarks.
91 It reduces the energy consumption up to 35\% while limits the performance degradation as much as possible.
92 \end{abstract}
93
94 \section{Introduction}
95 \label{sec.intro}
96 Modern processors continue increasing in performance, 
97 the CPUs constructors are competing to achieve maximum number 
98 of floating point operations per second (FLOPS). 
99 Thus, the energy consumption and the heat dissipation are increased 
100 drastically according to this increase. Because the number of FLOPS 
101 is more related to the power consumption of a CPU
102 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}.  
103 As an example of the most power hungry cluster, Tianhe-2 became in 
104 the top of the Top500 list in June 2014 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}. 
105 It has more than 3 millions of cores and consumed more than 17.8 megawatts. 
106 Moreover, according to the U.S. annual energy outlook 2014 
107 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the price of energy for 1 megawatt-hour 
108 was approximately equal to \$70. 
109 Therefore, we can consider the price of the energy consumption for the 
110 Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 millions  for 
111 one year. For this reason, the heterogeneous clusters must be offer more 
112 energy efficiency due to the increase in the energy cost and the environment 
113 influences. Therefore, a green computing clusters with maximum number of 
114 FLOPS per watt are required nowadays. For example, the GSIC center of Tokyo, 
115 became the top of the Green500 list in June 2014 \cite{Green500_List}. 
116 This heterogeneous platform has more than four thousand of  MFLOPS per watt. Dynamic 
117 voltage and frequency scaling (DVFS) is a process used widely to reduce the energy 
118 consumption of the processor. In heterogeneous clusters enabled DVFS, many researchers 
119 used DVFS  in a different ways. DVFS can be minimized the energy consumption 
120 but it leads to a disadvantage due to the increase in performance degradation. 
121 Therefore,  researchers used different optimization strategies to overcame 
122 this problem. The best tradeoff relation between the energy reduction and 
123 performance degradation ratio is became a key challenges in a heterogeneous 
124 platforms. In this paper we are propose a heterogeneous scaling algorithm  
125 that selects the optimal vector of the frequency scaling factors for distributed 
126 iterative application, producing maximum energy reduction against minimum 
127 performance degradation ratio simultaneously. The algorithm has very small 
128 overhead, works online and not needs for any training or profiling.  
129
130 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
131 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
132 execution time of MPI programs can be predicted.  It also presents an energy
133 model for heterogeneous platforms. Section~\ref{sec.compet} presents
134 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
135 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
136 Section~\ref{sec.optim} details the proposed heterogeneous scaling algorithm.
137 Section~\ref{sec.expe} presents the results of running  the NAS benchmarks on 
138 the proposed heterogeneous platform. It also shows the comparison of three 
139 different power scenarios and it verifies the precision of the proposed algorithm.  
140 Finally, we conclude in Section~\ref{sec.concl} with a summary and some future works.
141
142 \section{Related works}
143 \label{sec.relwork}
144 Energy reduction process for high performance clusters recently performed using 
145 dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) technique. DVFS is a technique enabled 
146 in modern processors to scaled down both of the voltage and the frequency of 
147 the CPU while it is in the computing mode to reduce the energy consumption. DVFS is 
148 also  allowed in the graphical processors GPUs, to achieved the same goal. Applying 
149 DVFS has a dramatical side effect if it is applied to minimum levels to gain more 
150 energy reduction, producing  a high percentage of performance degradations for the 
151 parallel applications.  Many researchers used different strategies to solve this 
152 nonlinear problem for example in
153 ~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Dhiman_Online.Learning.Power.Management}, their methods 
154 add big overheads to the algorithm to select the suitable frequency.  
155 In this paper we  present a method 
156 to find the optimal set of frequency scaling factors for heterogeneous cluster to 
157 simultaneously optimize both the energy and the execution time  without adding big 
158 overhead. This work is developed from our previous work of homogeneous cluster~\cite{Our_first_paper}. 
159 Therefore we are interested to present some works that concerned the heterogeneous clusters 
160 enabled DVFS. In general, the heterogeneous cluster works fall into two categorizes: 
161 GPUs-CPUs heterogeneous clusters and CPUs-CPUs heterogeneous clusters. In GPUs-CPUs 
162 heterogeneous clusters some parallel tasks executed on  GPUs and the others executed 
163 on  CPUs. As an example of this works, Luley et al.
164 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed  a heterogeneous 
165 cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal is to determined the 
166 energy efficiency as a function of performance per watt, the best tradeoff is done when the 
167 performance per watt function is maximized. In the work of Kia Ma et al.
168 ~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, they developed a scheduling 
169 algorithm to distributed different workloads proportional to the computing power of the node 
170 to be executed on CPU or GPU, emphasize all tasks must be finished in the same time. 
171 Recently, Rong et al.~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Their study explain that 
172 a heterogeneous clusters enabled DVFS using GPUs and CPUs gave better energy and performance 
173 efficiency than other clusters composed of only CPUs. 
174 The CPUs-CPUs heterogeneous clusters consist of number of computing nodes  all of the type CPU. 
175 Our work in this paper can be classified to this type of the clusters. 
176 As an example of these works see  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} work, 
177 They developed a policy to dynamically assigned the frequency to a heterogeneous cluster. 
178 The goal is to minimizing a fixed metric of $energy*delay^2$. Where our proposed method is automatically 
179 optimized  the relation between the energy and the delay of the iterative applications. 
180 Other works such as Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling}, 
181 their algorithm divided the executed tasks into two types: the critical and 
182 non critical tasks. The algorithm scaled down the frequency of the non critical tasks 
183 as function to the  amount of the slack and communication times that 
184 have with maximum of performance degradation percentage less than 10\%. In our method there is no 
185 fixed bounds for performance degradation percentage and the bound is dynamically computed 
186 according to the energy and the performance tradeoff relation of the executed application. 
187 There are some approaches used a heterogeneous cluster composed from two different types 
188 of Intel and AMD processors such as~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS} 
189 and \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, they predicated  both the energy 
190 and the performance for each frequency gear, then the algorithm selected the best gear that gave 
191 the best tradeoff. In contrast our algorithm works over a heterogeneous  platform composed of 
192 four different types of processors. Others approaches such as 
193 \cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
194 they are selected the best frequencies for a specified heterogeneous clusters offline using some 
195 heuristic methods. While our proposed algorithm works online during the execution time of 
196 iterative application. Greedy dynamic approach used by Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements},  
197 minimized the power consumption of a heterogeneous severs  with time/space complexity, this approach 
198 had considerable overhead. In our proposed scaling algorithm has very small overhead and 
199 it is works without any previous analysis for the application time complexity. The primary 
200 contributions of our paper are :
201 \begin{enumerate}
202 \item It is presents  a new online heterogeneous scaling algorithm which has very small 
203       overhead and not need for any training and profiling.
204 \item It is develops a new energy model for iterative distributed applications running over 
205        a heterogeneous clusters, taking into account the communication and slack times.
206 \item The proposed scaling algorithm predicts both the energy and the execution time 
207       of the iterative application.
208 \item It demonstrates a new optimization function which maximize the performance and 
209       minimize the energy consumption simultaneously.
210       
211 \end{enumerate}
212
213 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
214 \label{sec.exe}
215
216 % \JC{The whole subsection ``Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform'',
217 %   can be deleted if we need space, we can just say we are interested in this
218 %   paper in homogeneous clusters}
219
220 \subsection{The execution time of message passing distributed 
221                 iterative applications on a heterogeneous platform}
222
223 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
224 passing distributed iterative synchronous applications running over
225 heterogeneous platforms. We define a heterogeneous platform as a collection of
226 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
227 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
228 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
229 have the same network bandwidth and latency.
230
231 The overall execution time  of a distributed iterative synchronous application 
232 over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and 
233 the communication time for every iteration on a node. However, due to the 
234 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur 
235 when fast nodes have to  wait, during synchronous communications, for  the slower 
236 nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
237 Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
238 task which have the highest computation time and no slack time.
239   
240  \begin{figure}[t]
241   \centering
242     \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
243   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
244   \label{fig:heter}
245 \end{figure}
246
247 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
248 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
249 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
250 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
251 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
252 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
253 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
254 as in EQ (\ref{eq:s}).
255 \begin{equation}
256   \label{eq:s}
257  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
258 \end{equation}
259  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
260  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
261  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
262  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
263  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
264  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
265  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
266  The communication time for a task is the summation of  periods of 
267  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
268  till the message is synchronously sent or received.
269
270 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
271 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
272 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
273 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
274 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
275 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
276 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
277 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
278 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
279 vector of scaling factors can be predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
280 \begin{equation}
281   \label{eq:perf}
282  \textit  T_\textit{new} = 
283  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm
284 \end{equation}
285 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first 
286 iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from 
287 the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
288 with scaling factor from each node  added to the communication time of the 
289 slowest node, it means  only the  communication time without any slack time. 
290 Therefore, we can consider the execution time of the iterative application is 
291 equal to the execution time of one iteration as in EQ(\ref{eq:perf}) multiplied 
292 by the number of iterations of that application.
293
294 This prediction model is developed from our model for predicting the execution time of 
295 message passing distributed applications for homogeneous architectures~\cite{Our_first_paper}. 
296 The execution time prediction model is used in our method for optimizing both 
297 energy consumption and performance of iterative methods, which is presented in the 
298 following sections.
299
300
301 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
302 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
303 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
304 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
305 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
306 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
307 computation times.  The dynamic power $Pd$ is related to the switching
308 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
309 operational frequency $F$, as shown in EQ(\ref{eq:pd}).
310 \begin{equation}
311   \label{eq:pd}
312   Pd = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
313 \end{equation}
314 The static power $Ps$ captures the leakage power as follows:
315 \begin{equation}
316   \label{eq:ps}
317    Ps  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
318 \end{equation}
319 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
320 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
321 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
322 to execute a given program can be computed as:
323 \begin{equation}
324   \label{eq:eind}
325    E_\textit{ind} =  Pd \cdot Tcp + Ps \cdot T
326 \end{equation}
327 where $T$ is the execution time of the program, $Tcp$ is the computation
328 time and $Tcp \leq T$.  $Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
329 communication and no slack time.
330
331 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
332 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
333 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
334 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
335 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
336 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ(\ref{eq:s}).
337 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
338 system's kernel to lower a core's frequency. we can calculate the new frequency 
339 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) as follow:
340 \begin{equation}
341   \label{eq:fnew}
342    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
343 \end{equation}
344 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following 
345 equation for dynamic power consumption:
346 \begin{multline}
347   \label{eq:pdnew}
348    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
349    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
350 \end{multline}
351 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
352 new frequency and the maximum frequency respectively.
353
354 According to EQ(\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
355 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
356 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
357 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
358 and is given by the following equation:
359 \begin{equation}
360   \label{eq:Edyn}
361    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
362 \end{equation}
363 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
364 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
365 we assume that the static power of a processor is constant 
366 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
367 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
368 According to the execution time model in EQ(\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
369 is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
370 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
371 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
372 \begin{equation}
373   \label{eq:Estatic}
374  E_\textit{s} = Ps \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
375 \end{equation}
376
377 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and 
378 static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed 
379 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ 
380 noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed 
381 in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. 
382 The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times 
383 if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do 
384 not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency 
385 scaling factor and the dynamic power of each node as in EQ(\ref{eq:Edyn}), the static energy is 
386 computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. 
387 The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a 
388 heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies 
389 for each  processor.  It is computed as follows:
390 \begin{multline}
391   \label{eq:energy}
392  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
393  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
394   {MinTcm))}
395  \end{multline}
396
397 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
398 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
399 application and thus, increase the static energy because the execution time is
400 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. We can measure the overall energy consumption for the iterative 
401 application by measuring  the energy consumption for one iteration as in EQ(\ref{eq:energy}) 
402 multiplied by the number of iterations of that application.
403
404
405 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
406 \label{sec.compet}
407
408 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy 
409 efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced 
410 while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally 
411 decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic 
412 and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by 
413 scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption 
414 of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate 
415 frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor 
416 (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed 
417 (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not 
418 significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{Our_first_paper}, we  proposed a method 
419 that selects the optimal frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message 
420 passing iterative synchronous application while giving the best trade-off  between the energy 
421 consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
422 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not 
423 one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off 
424 between energy consumption and performance. 
425
426 The relation between the energy consumption and the execution time for an application is 
427 complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
428 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
429 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  
430 Moreover, they are not measured using the same metric.  To solve this problem, we normalize the
431 execution time by computing the ratio between the new execution time (after 
432 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum 
433 frequency for all nodes,) as follows:
434 \begin{multline}
435   \label{eq:pnorm}
436   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
437        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
438            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
439 \end{multline}
440
441
442 In the same way, we normalize the energy by computing the ratio between the consumed energy 
443 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
444 \begin{multline}
445   \label{eq:enorm}
446   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
447   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
448  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
449  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
450 \end{multline} 
451 Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}).
452
453  While the main 
454 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
455 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
456 to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the vector  of frequency
457 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
458 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
459 reduction with minimum execution time reduction.  
460
461  
462   
463 Our solution for this problem is to make the optimization process for energy and 
464 execution time follow the same direction.  Therefore, we inverse the equation of the 
465 normalized execution time which gives the normalized performance equation, as follows:
466 \begin{multline}
467   \label{eq:pnorm_inv}
468   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
469           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
470             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
471 \end{multline}
472
473
474 \begin{figure}
475   \centering
476   \subfloat[Homogeneous platform]{%
477     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
478   \qquad%
479   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
480     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
481   \label{fig:rel}
482   \caption{The energy and performance relation}
483 \end{figure}
484
485 Then, we can model our objective function as finding the maximum distance
486 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the  performance
487 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
488 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
489 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}). Then our objective
490 function has the following form:
491 \begin{equation}
492   \label{eq:max}
493   Max Dist = 
494   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
495       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
496        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
497 \end{equation}
498 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
499 Then we can select the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  
500 Our objective function can work with any energy model or any power values for each node 
501 (static and dynamic powers). However, the most energy reduction gain can be achieved when 
502 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}.
503
504 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
505 \label{sec.optim}
506
507 In this section we  propose algorithm~(\ref{HSA}) which selects the frequency scaling factors 
508 vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing 
509 the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous 
510 platform. It works online during the execution time of the iterative message passing program.  
511 It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the 
512 communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first 
513 iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective 
514 function EQ(\ref{eq:max}). The program apply DVFS operations to change the frequencies of the CPUs 
515 according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution 
516 of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called 
517 in the iterative MPI program.
518
519 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message 
520 passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their 
521 computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). 
522 These periods are called idle or slack times. 
523 Our algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the 
524 frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase 
525 the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of 
526 fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely 
527 proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency 
528 scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the 
529 computation time of the node $i$ as follows:
530 \begin{equation}
531   \label{eq:Scp}
532  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
533 \end{equation}
534 Using the initial  frequency scaling factors computed in EQ(\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
535 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
536 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
537 \begin{equation}
538   \label{eq:Fint}
539  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
540 \end{equation}
541 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed 
542 initial frequency is replaced by the nearest available frequency. In  figure (\ref{fig:st_freq}), 
543 the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster 
544 nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new 
545 frequencies are colored in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered 
546 as a higher bound for the search space of the optimal vector of frequencies because selecting frequency 
547 scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and 
548 it will increase its overall energy consumption. Therefore the algorithm that selects the frequency 
549 scaling factors starts the search method from these initial frequencies and takes a downward search direction 
550 toward lower frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all 
551 nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select 
552 the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node 
553 according to EQ(\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  
554 all other nodes by one gear.
555 The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. 
556 The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective 
557 function EQ(\ref{eq:max}).
558
559 The plots~(\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}) illustrate the normalized performance and consumed energy for an 
560 application running on a homogeneous platform and a heterogeneous platform respectively while increasing the 
561 scaling factors. It can be noticed that in a homogeneous platform the search for the optimal scaling factor 
562 should be started from the maximum frequency because the performance and the consumed energy is decreased since  
563 the beginning of the plot. On the other hand, in  the heterogeneous platform the performance is  maintained at 
564 the beginning of the plot even if the frequencies of the faster nodes are decreased until the scaled down nodes 
565 have computing powers lower than the slowest node. In other words, until they reach the higher bound. It can 
566 also be noticed that the higher the difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger 
567 the maximum distance between the energy curve and the performance curve is while varying the scaling factors 
568 which results in bigger energy savings. 
569 \begin{figure}[t]
570   \centering
571     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
572   \caption{Selecting the initial frequencies}
573   \label{fig:st_freq}
574 \end{figure}
575
576
577
578
579 \begin{algorithm}
580   \begin{algorithmic}[1]
581     % \footnotesize
582     \Require ~
583     \begin{description}
584     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
585     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
586     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
587     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
588     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
589     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
590     \end{description}
591     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
592
593     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
594     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
595     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
596     \If{(not the first frequency)}
597           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
598     \EndIf 
599     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
600     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
601     \State $Dist \gets 0$
602     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
603     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
604         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
605         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
606         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
607         \EndIf
608        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
609        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
610                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
611        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
612        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
613       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
614         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
615         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
616       \EndIf
617     \EndWhile
618     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
619   \end{algorithmic}
620   \caption{Heterogeneous scaling algorithm}
621   \label{HSA}
622 \end{algorithm}
623
624 \begin{algorithm}
625   \begin{algorithmic}[1]
626     % \footnotesize
627     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
628       \State Computations section.
629       \State Communications section.
630       \If {$(k=1)$}
631         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
632                communication from each node.
633         \State Call algorithm from Figure~\ref{HSA} with these times.
634         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
635                returned optimal scaling factors.
636         \State Set the new frequencies to nodes.
637       \EndIf
638     \EndFor
639   \end{algorithmic}
640   \caption{DVFS algorithm}
641   \label{dvfs}
642 \end{algorithm}
643
644 \section{Experimental results}
645 \label{sec.expe}
646 To evaluate the efficiency and the overall energy consumption reduction of algorithm~(\ref{HSA}), 
647 it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3  \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}. The experiments were executed 
648 on the simulator SimGrid/SMPI v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile} which offers 
649 easy tools to create a heterogeneous platform and run message passing applications over it. The 
650 heterogeneous platform that was used in the experiments, had one core per node because just one 
651 process was executed per node. The heterogeneous platform  was composed of four types of nodes. 
652 Each type of nodes had different characteristics such as the maximum CPU frequency, the number of
653 available frequencies and the computational power, see table (\ref{table:platform}). The characteristics 
654 of these different types of  nodes are inspired   from the specifications of real Intel processors. 
655 The heterogeneous platform had up to 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, 
656 for example if  a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the constructors 
657 of CPUs do not specify the dynamic and the static power of their CPUs, for each type of node they were 
658 chosen proportionally to its computing power (FLOPS).  In the initial heterogeneous platform,  while computing 
659 with highest frequency, each node  consumed power proportional to its computing power which 80\% of it was 
660 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}. 
661 Finally, These nodes were connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
662
663
664 \begin{table}[htb]
665   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
666   % title of Table
667   \centering
668   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
669     \hline
670     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
671     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
672                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
673     \hline
674     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~w         &4~w    \\
675                   &           &          &              &                &              &  \\
676     \hline
677     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~w         &5~w    \\
678                   &           &          &              &                &              &  \\
679     \hline
680     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~w         &6~w    \\
681                   &           &          &              &                &              &  \\
682     \hline
683     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~w         &7~w    \\
684                   &           &          &              &                &              &  \\
685     \hline
686   \end{tabular}
687   \label{table:platform}
688 \end{table}
689
690  
691 %\subsection{Performance prediction verification}
692
693
694 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
695 \label{sec.res}
696
697
698 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) 
699 and the benchmarks were executed with the three classes: A,B and C. However, due to the lack of space in 
700 this paper, only the results of the biggest class, C, are presented while being run on different number 
701 of nodes, ranging  from 4 to 128 or 144 nodes depending on the benchmark being executed. Indeed, the 
702 benchmarks CG, MG, LU, EP and FT should be executed on $1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes. 
703 The other benchmarks such as BT and SP should be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
704
705  
706  
707 \begin{table}[htb]
708   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
709   % title of Table
710   \centering
711   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
712     \hline
713     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
714     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
715     \hline
716     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
717     \hline 
718     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
719    \hline
720     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
721    \hline
722     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
723     \hline
724     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
725    \hline
726     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
727    \hline
728     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
729 \hline 
730   \end{tabular}
731   \label{table:res_4n}
732 \end{table}
733
734 \begin{table}[htb]
735   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
736   % title of Table
737   \centering
738   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
739     \hline
740     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
741     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
742     \hline
743     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
744     \hline 
745     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
746    \hline
747     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
748    \hline
749     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
750     \hline
751     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
752    \hline
753     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
754    \hline
755     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
756 \hline 
757   \end{tabular}
758   \label{table:res_8n}
759 \end{table}
760
761 \begin{table}[htb]
762   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
763   % title of Table
764   \centering
765   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
766     \hline
767     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
768     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
769     \hline
770     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
771     \hline 
772     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
773    \hline
774     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
775    \hline
776     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
777     \hline
778     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
779    \hline
780     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
781    \hline
782     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
783 \hline 
784   \end{tabular}
785   \label{table:res_16n}
786 \end{table}
787
788 \begin{table}[htb]
789   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
790   % title of Table
791   \centering
792   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
793     \hline
794     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
795     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
796     \hline
797     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
798     \hline 
799     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
800    \hline
801     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
802    \hline
803     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
804     \hline
805     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
806    \hline
807     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
808    \hline
809     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
810 \hline 
811   \end{tabular}
812   \label{table:res_32n}
813 \end{table}
814
815 \begin{table}[htb]
816   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
817   % title of Table
818   \centering
819   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
820     \hline
821     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
822     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
823     \hline
824     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
825     \hline 
826     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
827    \hline
828     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
829    \hline
830     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
831     \hline
832     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
833    \hline
834     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
835    \hline
836     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
837 \hline 
838   \end{tabular}
839   \label{table:res_64n}
840 \end{table}
841
842
843 \begin{table}[htb]
844   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
845   % title of Table
846   \centering
847   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
848     \hline
849     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
850     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
851     \hline
852     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
853     \hline 
854     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
855    \hline
856     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
857    \hline
858     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
859     \hline
860     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
861    \hline
862     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
863    \hline
864     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
865 \hline 
866   \end{tabular}
867   \label{table:res_128n}
868 \end{table}
869 The overall energy consumption was computed for each instance according to the energy 
870 consumption  model EQ(\ref{eq:energy}), with and without applying the algorithm. The 
871 execution time was also measured for all these experiments. Then, the energy saving 
872 and performance degradation percentages were computed for each instance.  
873 The results are presented in tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, 
874 \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). All these results are the 
875 average values from many experiments for  energy savings and performance degradation.
876
877 The tables  show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks on different 
878 number of nodes. The experiments show that the algorithm reduce significantly the energy 
879 consumption (up to 35\%) and tries to limit the performance degradation. They also show that 
880 the  energy saving percentage is decreased  when the number of the computing nodes is increased. 
881 This reduction is due to the increase of the communication times compared to the execution times 
882 when the benchmarks are run over a high number of nodes. Indeed, the benchmarks with the same class, C, 
883 are executed on different number of nodes, so the computation required for each iteration is divided 
884 by the number of computing nodes.   On the other hand, more communications are required when increasing 
885 the number of nodes so the static energy is increased linearly according to the communication time and 
886 the dynamic power is less relevant in the overall energy consumption. Therefore, reducing the frequency 
887 with algorithm~(\ref{HSA}) have less effect in reducing the overall energy savings. It can also be 
888 noticed that for the benchmarks EP and SP that contain little or no communications,  the energy savings 
889 are not significantly affected with the high number of nodes. No experiments were conducted using bigger 
890 classes such as D, because they require a lot of memory(more than 64GB) when being executed by the simulator 
891 on one machine. The maximum distance between the normalized energy curve and the normalized performance 
892 for each instance is also shown in the result tables. It is decreased in the same way as the energy 
893 saving percentage. The tables also show that the performance degradation percentage is not significantly 
894 increased when the number of computing nodes is increased because the computation times are small when 
895 compared to the communication times.  
896
897
898  
899 \begin{figure}
900   \centering
901   \subfloat[Energy saving]{%
902     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
903   \quad%
904   \subfloat[Performance degradation ]{%
905     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
906   \label{fig:avg}
907   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
908 \end{figure}
909
910 Plots (\ref{fig:energy} and \ref{fig:per_deg}) present the energy saving and performance degradation 
911 respectively for all the benchmarks according to the number of used nodes. As shown in the first plot, 
912 the energy saving percentages of the benchmarks MG, LU, BT and FT are decreased linearly  when the the 
913 number of nodes is increased. While for the  EP and SP benchmarks, the energy saving percentage is not 
914 affected by the increase of the number of computing nodes, because in these benchmarks there are little or 
915 no communications. Finally, the energy saving of the GC benchmark  is significantly decreased when the number 
916 of nodes is increased because  this benchmark has more communications than the others. The second plot 
917 shows that the performance degradation percentages of most of the benchmarks are decreased when they 
918 run on a big number of nodes because they spend more time communicating than computing, thus, scaling 
919 down the frequencies of some nodes have less effect on the performance. 
920
921
922
923
924 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
925 \label{sec.compare}
926 The results of the previous section were obtained while using processors that consume during computation 
927 an overall power which is 80\% composed of  dynamic power and 20\% of static power. In this section, 
928 these ratios are changed and two new power scenarios are considered in order to evaluate how the proposed  
929 algorithm adapts itself according to the static and dynamic power values.  The two new power scenarios 
930 are the following: 
931
932 \begin{itemize}
933 \item 70\% dynamic power  and 30\% static power
934 \item 90\% dynamic power  and 10\% static power
935 \end{itemize}
936
937 The NAS parallel benchmarks were executed again over processors that follow the the new power scenarios. 
938 The class C of each benchmark was run over 8 or 9 nodes and the results are presented in  tables 
939 (\ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}). These tables show that the energy saving percentage of the 70\%-30\% 
940 scenario is less for all benchmarks compared to the energy saving of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in the latter 
941 more dynamic power is consumed when nodes are running on their maximum frequencies, thus, scaling down the frequency 
942 of the nodes results in higher energy savings than in the 70\%-30\% scenario. On the other hand,  the performance 
943 degradation percentage is less in the 70\%-30\% scenario  compared to the 90\%-10\%  scenario. This is due to the 
944 higher static power percentage in the first scenario which makes it more relevant in the overall consumed energy. 
945 Indeed, the static energy is related to the execution time and if the performance is  degraded the total consumed 
946 static energy is directly increased. Therefore, the proposed algorithm do not scales down much the frequencies of the 
947 nodes  in order to limit the increase of the execution time and thus limiting the effect of the consumed static energy .
948
949 The two new power scenarios are compared to the old one in figure (\ref{fig:sen_comp}). It shows the average of 
950 the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks of class C running on 8 or 9 nodes. 
951 The comparison shows that  the energy saving ratio is proportional to the dynamic power ratio: it is increased 
952 when applying the  90\%-10\% scenario because at maximum frequency the dynamic  energy is the the most relevant 
953 in the overall consumed energy and can be reduced by lowering the frequency of some processors. On the other hand, 
954 the energy saving is decreased when  the 70\%-30\% scenario is used because the dynamic  energy is less relevant in 
955 the overall consumed energy and lowering the frequency do not returns big energy savings.
956 Moreover, the average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power 
957 (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). Since the proposed algorithm optimizes the energy consumption 
958 when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selects bigger frequency scaling factors that result in 
959 more energy saving but less performance, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The opposite happens 
960 when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects  smaller scaling values which 
961 results in less energy saving but less performance degradation. 
962
963
964  \begin{table}[htb]
965   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
966   % title of Table
967   \centering
968   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
969     \hline
970     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
971     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
972     \hline
973     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
974     \hline 
975     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
976    \hline
977     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
978    \hline
979     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
980     \hline
981     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
982    \hline
983     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
984    \hline
985     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
986 \hline 
987   \end{tabular}
988   \label{table:res_s1}
989 \end{table}
990
991
992
993 \begin{table}[htb]
994   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
995   % title of Table
996   \centering
997   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
998     \hline
999     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1000     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1001     \hline
1002     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1003     \hline 
1004     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1005    \hline
1006     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1007    \hline
1008     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1009     \hline
1010     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1011    \hline
1012     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1013    \hline
1014     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1015 \hline 
1016   \end{tabular}
1017   \label{table:res_s2}
1018 \end{table}
1019
1020
1021 \begin{figure}
1022   \centering
1023   \subfloat[Comparison the average of the results on 8 nodes]{%
1024     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1025   \quad%
1026   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1027     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1028   \label{fig:comp}
1029   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1030 \end{figure}  
1031
1032
1033
1034 \subsection{The verifications of the proposed method}
1035 \label{sec.verif}
1036 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
1037 EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model computed by EQ(\ref{eq:energy}). 
1038 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
1039 linearly related the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
1040 the work presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
1041 execution time was compared to  the real execution time over Simgrid for all  the NAS parallel benchmarks 
1042 running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
1043 the maximum normalized difference between the predicted execution time  and the real execution time is equal 
1044 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
1045
1046 Since  the proposed algorithm is not an exact method and do not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
1047 in the search space and to prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
1048 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
1049 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
1050 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
1051 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
1052 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 
1053 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
1054 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
1055 vector of frequency scaling factors that gives the results of the sections (\ref{sec.res}) and (\ref{sec.compare}).
1056
1057 \section{Conclusion}
1058 \label{sec.concl}
1059 In this paper, we have presented a new online heterogeneous scaling algorithm
1060 that selects the best possible vector of frequency scaling factors. This vector 
1061 gives the maximum distance (optimal tradeoff) between the predicted energy and 
1062 the predicted performance curves. In addition, we developed a new energy model for measuring  
1063 and predicting the energy of distributed iterative applications running over heterogeneous 
1064 cluster. The proposed method evaluated on Simgrid/SMPI  simulator to built a heterogeneous 
1065 platform to executes NAS parallel benchmarks. The results of the experiments showed the ability of
1066 the proposed algorithm to changes its behaviour to selects different scaling factors  when 
1067 the number of computing nodes and both of the static and the dynamic powers are changed. 
1068
1069 In the future, we plan to improve this method to apply on asynchronous  iterative applications 
1070 where each task does not wait the others tasks to finish there works. This leads us to develop a new 
1071 energy model to an asynchronous iterative applications, where the number of iterations is not 
1072 known in advance and depends on the global convergence of the iterative system.
1073
1074 \section*{Acknowledgment}
1075
1076
1077
1078 % trigger a \newpage just before the given reference
1079 % number - used to balance the columns on the last page
1080 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1081 % the document is modified later
1082 %\IEEEtriggeratref{15}
1083
1084 \bibliographystyle{IEEEtran}
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1086 \end{document}
1087
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1094
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