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[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
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26
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28
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54 \begin{document} 
55
56 \title{Energy Consumption Reduction in heterogeneous architecture using DVFS}
57
58 \author{%
59   \IEEEauthorblockN{%
60     Jean-Claude Charr,
61     Raphaël Couturier,
62     Ahmed Fanfakh and
63     Arnaud Giersch
64   }
65   \IEEEauthorblockA{%
66     FEMTO-ST Institute\\
67     University of Franche-Comté\\
68     IUT de Belfort-Montbéliard,
69     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
70     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
71     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
72     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
73    }
74   }
75
76 \maketitle
77
78 \begin{abstract}
79   
80 \end{abstract}
81
82 \section{Introduction}
83 \label{sec.intro}
84
85
86 \section{Related works}
87 \label{sec.relwork}
88
89
90
91
92 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
93 \label{sec.exe}
94
95 % \JC{The whole subsection ``Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform'',
96 %   can be deleted if we need space, we can just say we are interested in this
97 %   paper in homogeneous clusters}
98
99 \subsection{The execution time of message passing distributed iterative applications on a heterogeneous platform}
100
101 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
102 passing distributed iterative synchronous applications running over
103 heterogeneous platforms. We define a heterogeneous platform as a collection of
104 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
105 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
106 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
107 have the same network bandwidth and latency.
108
109
110 \begin{figure}[t]
111   \centering
112     \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
113   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
114   \label{fig:heter}
115 \end{figure}
116
117  The  overall execution time  of a distributed iterative synchronous application over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and the communication time for every iteration on a node. However, due to the heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur when fast nodes have to
118  wait, during synchronous communications, for  the slower nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
119  Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
120  task which have the highest computation time and no slack time.
121  
122 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in modern processors, that reduces the energy consumption
123 of a CPU by scaling down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU and consequently its computing power, the execution time of a program running over that scaled down processor might increase, especially if the program is compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU as in EQ (\ref{eq:s}).
124 \begin{equation}
125   \label{eq:s}
126  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
127 \end{equation}
128  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional to the frequency scaling factor $S$. 
129  On the other hand,  message passing distributed applications consist of two parts: computation and communication. The execution time of the computation part is linearly proportional to the frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the scaling factor because  the processors involved remain idle during the  communications~\cite{17}. The communication time for a task is the summation of periods of time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message till the message is synchronously sent or received.
130
131 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
132 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
133 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
134 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
135 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
136 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
137 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
138 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
139 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
140 vector of scaling factors can be predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
141 \begin{equation}
142   \label{eq:perf}
143  \textit  T_\textit{new} = 
144  \max_{i=1,2,\dots,N} (TcpOld_{i} \cdot S_{i}) +  MinTcm
145 \end{equation}
146 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
147  with scaling factor from each node  added to the communication time of the slowest node, it means  only the
148  communication time without any slack time. Therefore, we can consider the execution time of the iterative application is equal to the execution time of one iteration as in EQ(\ref{eq:perf}) multiplied by the number of iterations of that application.
149
150 This prediction model is based on our model for predicting the execution time of message passing distributed applications for homogeneous architectures~\cite{45}. The execution time prediction model is used in our method for optimizing both energy consumption and performance of iterative methods, which is presented in the following sections.
151
152
153 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
154
155 Many researchers~\cite{9,3,15,26} divide the power consumed by a processor into
156 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
157 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
158 computation times.  The dynamic power $P_{d}$ is related to the switching
159 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
160 operational frequency $F$, as shown in EQ(\ref{eq:pd}).
161 \begin{equation}
162   \label{eq:pd}
163   P_\textit{d} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
164 \end{equation}
165 The static power $P_{s}$ captures the leakage power as follows:
166 \begin{equation}
167   \label{eq:ps}
168    P_\textit{s}  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
169 \end{equation}
170 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
171 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
172 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
173 to execute a given program can be computed as:
174 \begin{equation}
175   \label{eq:eind}
176    E_\textit{ind} =  P_\textit{d} \cdot Tcp + P_\textit{s} \cdot T
177 \end{equation}
178 where $T$ is the execution time of the program, $T_{cp}$ is the computation
179 time and $T_{cp} \leq T$.  $T_{cp}$ may be equal to $T$ if there is no
180 communication and no slack time.
181
182 The main objective of DVFS operation is to
183 reduce the overall energy consumption~\cite{37}.  The operational frequency $F$
184 depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
185 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
186 voltage with respect to various frequency values in~\cite{3}.  The reduction
187 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
188 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
189 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
190 system's kernel to lower a core's frequency. we can calculate the new frequency 
191 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) as follow:
192 \begin{equation}
193   \label{eq:fnew}
194    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
195 \end{equation}
196 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following equation for dynamic 
197 power consumption:
198 \begin{multline}
199   \label{eq:pdnew}
200    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
201    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
202 \end{multline}
203 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the new frequency and the maximum frequency respectively.
204
205 According to EQ(\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
206 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{3}. Since the FLOPS of a CPU is proportional to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation and is given by the following equation:
207 \begin{equation}
208   \label{eq:Edyn}
209    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
210 \end{equation}
211 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation and even when idle. As in~\cite{3,46}, we assume that the static power of a processor is constant during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
212 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. According to the execution time model in EQ(\ref{eq:perf}), 
213 the execution time of the program is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
214 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. The static energy 
215 of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
216 \begin{equation}
217   \label{eq:Estatic}
218  E_\textit{s} = P_\textit{s} \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
219 \end{equation}
220
221 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency scaling factor and the dynamic power of each node as in EQ(\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies for each  processor.  It is computed as follows:
222 \begin{multline}
223   \label{eq:energy}
224  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
225  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
226   {MinTcm))}
227  \end{multline}
228
229 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
230 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
231 application and thus, increase the static energy because the execution time is
232 increased~\cite{36}. We can measure the overall energy consumption for the iterative 
233 application by measuring  the energy consumption for one iteration as in EQ(\ref{eq:energy}) multiplied by 
234 the number of iterations of that application.
235
236
237 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
238 \label{sec.compet}
239
240 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{45}, we  proposed a method that selects the optimal 
241 frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message passing iterative synchronous application while giving the best trade-off
242  between the energy consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
243 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off between energy consumption and performance. 
244
245 The relation between the energy consumption and the execution
246 time for an application is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
247 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
248 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{17}.  Moreover, they are
249 not measured using the same metric.  To solve this problem, we normalize the
250 execution time by computing the ratio between the new execution time (after scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum frequency for all nodes,) as follows:
251 \begin{multline}
252   \label{eq:pnorm}
253   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
254        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
255            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
256 \end{multline}
257
258
259 In the same way, we normalize the energy by computing the ratio between the consumed energy while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
260 \begin{multline}
261   \label{eq:enorm}
262   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
263   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
264  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
265  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
266 \end{multline} 
267 Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}).
268
269  While the main 
270 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized energy and execution time curves are not in the same direction. According 
271 to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the vector  of frequency
272 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
273 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
274 reduction with minimum execution time reduction.  
275
276 Many researchers used different strategies to solve this nonlinear problem for example
277 in~\cite{19,42}, their methods add big overheads to the algorithm to select the
278 suitable frequency.  In this paper we  present a method to find the optimal
279 set of frequency scaling factors to simultaneously optimize both energy and execution time
280  without adding a big overhead. \textbf{put the last two phrases in the related work section}
281  
282   
283 Our solution for this problem is to make the optimization process for energy and execution time follow the same
284 direction.  Therefore, we inverse the equation of the normalized execution time which gives 
285 the normalized performance equation, as follows:
286 \begin{multline}
287   \label{eq:pnorm_inv}
288   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
289           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
290             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
291 \end{multline}
292
293
294 \begin{figure}
295   \centering
296   \subfloat[Homogeneous platform]{%
297     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
298   \qquad%
299   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
300     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
301   \label{fig:rel}
302   \caption{The energy and performance relation}
303 \end{figure}
304
305 Then, we can model our objective function as finding the maximum distance
306 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the  performance
307 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
308 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
309 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}) .  Then our objective
310 function has the following form:
311 \begin{equation}
312   \label{eq:max}
313   Max Dist = 
314   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
315       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
316        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
317 \end{equation}
318 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
319 Then we can select the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  Our objective function can
320 work with any energy model or any power values for each node (static and dynamic powers).
321 However, the most energy reduction gain can be achieved when the energy curve has a convex form as shown in~\cite{15,3,19}.
322
323 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
324 \label{sec.optim}
325
326 In this section we  propose algorithm~\ref{HSA}) which selects the frequency scaling factors vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous platform.  
327 IT works online during the execution time of the iterative message passing program.  It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective function EQ(\ref{eq:max}). The program apply DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
328
329
330 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). These periods are called idle or slack times.
331 Our algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
332 \begin{equation}
333   \label{eq:Scp}
334  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
335 \end{equation}
336 Using the initial  frequency scaling factors computed in EQ(\ref{eq:Scp}), the algorithm computes the initial frequencies for all nodes as a ratio between the 
337 maximum frequency of node $i$  and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
338 \begin{equation}
339   \label{eq:Fint}
340  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
341 \end{equation}
342 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed initial frequency is replaced by the nearest available frequency.
343 In  figure (\ref{fig:st_freq}), the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new frequencies are coloured in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the optimal set of frequencies because selecting frequency scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and it will increase its overall energy consumption. Therefore the frequency selecting factors algorithm starts its search method from these initial frequencies and takes a downward search direction. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node according to EQ(\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  all other nodes by one gear. The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective function EQ(\ref{eq:max}).
344 \begin{figure}[t]
345   \centering
346     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
347   \caption{Selecting the initial frequencies}
348   \label{fig:st_freq}
349 \end{figure}
350
351
352 This algorithm has a small
353 execution time: for a heterogeneous cluster composed of four different types of
354 nodes having the characteristics presented in table~(\ref{table:platform}), it  
355 takes \np[ms]{0.04} on average for 4 nodes and \np[ms]{0.15} on average for 144
356 nodes.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the
357 number of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm
358 needs on average from 12 to 20 iterations to selects the best vector of frequency scaling factors that give the results of the next section. \textbf{put the lst paragraph in experiments}
359
360
361
362
363
364
365 \begin{algorithm}
366   \begin{algorithmic}[1]
367     % \footnotesize
368     \Require ~
369     \begin{description}
370     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
371     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
372     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
373     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
374     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
375     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
376     \end{description}
377     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
378
379     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
380     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
381     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
382     \If{(not the first frequency)}
383           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
384     \EndIf 
385     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
386     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
387     \State $Dist \gets 0$
388     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
389     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
390         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
391         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
392         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
393         \EndIf
394        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
395        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
396                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
397        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
398        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
399       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
400         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
401         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
402       \EndIf
403     \EndWhile
404     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
405   \end{algorithmic}
406   \caption{Heterogeneous scaling algorithm}
407   \label{HSA}
408 \end{algorithm}
409
410 \begin{algorithm}
411   \begin{algorithmic}[1]
412     % \footnotesize
413     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
414       \State Computations section.
415       \State Communications section.
416       \If {$(k=1)$}
417         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
418                communication from each node.
419         \State Call algorithm from Figure~\ref{HSA} with these times.
420         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
421                returned optimal scaling factors.
422         \State Set the new frequencies to nodes.
423       \EndIf
424     \EndFor
425   \end{algorithmic}
426   \caption{DVFS algorithm}
427   \label{dvfs}
428 \end{algorithm}
429
430 \section{Experimental results}
431 \label{sec.expe}
432
433 The experiments of this work are executed on the simulator SimGrid/SMPI
434 v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}. We are configure the
435 simulator to use a heterogeneous cluster with one core per node. The proposed
436 heterogeneous cluster has four different types of nodes. Each node in the cluster
437 has different characteristics such as the maximum frequency speed, the number of
438 available frequencies and dynamic and static powers values, see table
439 (\ref{table:platform}). These different types of processing nodes are simulate some
440 real Intel processors. The maximum number of nodes that supported by the cluster
441 is 144 nodes according to characteristics of some MPI programs of the NAS
442 benchmarks that used. We are use the same number from each type of nodes when we
443 run the iterative MPI programs, for example if  we are execute the program on 8 node, there
444 are 2 nodes from each type participating in the computation. The dynamic and
445 static power values is different from one type to other. Each node has a dynamic
446 and static power values proportional to their computing power (FLOPS), for more
447 details see the Intel data sheets in \cite{47}.  Each node has a percentage of
448 80\% for dynamic power and 20\% for static power of the total power
449 consumption of a CPU, the same assumption is made in \cite{45,3}. These nodes are
450 connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
451 \begin{table}[htb]
452   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
453   % title of Table
454   \centering
455   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
456     \hline
457     Node     & Similar     & Max        & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
458     type     & to          & Freq. GHz  & Freq. GHz    & Freq GHz       & power        & power \\
459     \hline
460     1       & core-i3       & 2.5         & 1.2          & 0.1           & 20~w         &4~w    \\
461             &  2100T        &             &              &               &              &  \\
462     \hline
463     2       & Xeon          & 2.66        & 1.6          & 0.133         & 25~w         &5~w    \\
464             & 7542          &             &              &               &              &  \\
465     \hline
466     3       & core-i5       & 2.9         & 1.2          & 0.1           & 30~w         &6~w    \\
467             & 3470s         &             &              &               &              &  \\
468     \hline
469     4       & core-i7       & 3.4         & 1.6          & 0.133         & 35~w         &7~w    \\
470             & 2600s         &             &              &               &              &  \\
471     \hline
472   \end{tabular}
473   \label{table:platform}
474 \end{table}
475
476  
477 %\subsection{Performance prediction verification}
478
479
480 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
481 \label{sec.res}
482
483 The proposed algorithm was applied to seven MPI programs of the NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) NPB v3.3 
484 \cite{44},  which were run with three classes (A, B and C).
485 In this experiments we are interested to run the class C, the biggest class compared to A and B, on different number of 
486 nodes, from 4 to 128 or 144 nodes according to the type of the iterative MPI program.  Depending on the proposed energy consumption model EQ(\ref{eq:energy}),
487  we are measure the energy consumption for all NAS MPI programs. The dynamic and static power values are used under the same assumption used by \cite{45,3}, we are used a percentage of 80\% for dynamic power and 20\% for static of the total power consumption of a CPU. The heterogeneous nodes in table (\ref{table:platform}) have different  simulated computing power (FLOPS), ranked from the node of type 1 with smaller computing power (FLOPS) to the highest computing power (FLOPS) for node of type 4. Therefore, the power values are used proportionally increased from nodes of type 1 to nodes of type 4 that with highest computing power. Then, we are used an assumption that the power consumption is increased linearly when the computing power (FLOPS) of the processor is increased, see \cite{48}.   
488  
489 \begin{table}[htb]
490   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
491   % title of Table
492   \centering
493   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
494     \hline
495     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
496     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
497     \hline
498     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
499     \hline 
500     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
501    \hline
502     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
503    \hline
504     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
505     \hline
506     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
507    \hline
508     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
509    \hline
510     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
511 \hline 
512   \end{tabular}
513   \label{table:res_4n}
514 \end{table}
515
516 \begin{table}[htb]
517   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
518   % title of Table
519   \centering
520   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
521     \hline
522     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
523     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
524     \hline
525     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
526     \hline 
527     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
528    \hline
529     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
530    \hline
531     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
532     \hline
533     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
534    \hline
535     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
536    \hline
537     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
538 \hline 
539   \end{tabular}
540   \label{table:res_8n}
541 \end{table}
542
543 \begin{table}[htb]
544   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
545   % title of Table
546   \centering
547   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
548     \hline
549     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
550     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
551     \hline
552     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
553     \hline 
554     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
555    \hline
556     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
557    \hline
558     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
559     \hline
560     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
561    \hline
562     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
563    \hline
564     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
565 \hline 
566   \end{tabular}
567   \label{table:res_16n}
568 \end{table}
569
570 \begin{table}[htb]
571   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
572   % title of Table
573   \centering
574   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
575     \hline
576     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
577     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
578     \hline
579     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
580     \hline 
581     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
582    \hline
583     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
584    \hline
585     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
586     \hline
587     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
588    \hline
589     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
590    \hline
591     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
592 \hline 
593   \end{tabular}
594   \label{table:res_32n}
595 \end{table}
596
597 \begin{table}[htb]
598   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
599   % title of Table
600   \centering
601   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
602     \hline
603     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
604     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
605     \hline
606     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
607     \hline 
608     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
609    \hline
610     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
611    \hline
612     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
613     \hline
614     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
615    \hline
616     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
617    \hline
618     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
619 \hline 
620   \end{tabular}
621   \label{table:res_64n}
622 \end{table}
623
624
625 \begin{table}[htb]
626   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
627   % title of Table
628   \centering
629   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
630     \hline
631     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
632     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
633     \hline
634     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
635     \hline 
636     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
637    \hline
638     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
639    \hline
640     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
641     \hline
642     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
643    \hline
644     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
645    \hline
646     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
647 \hline 
648   \end{tabular}
649   \label{table:res_128n}
650 \end{table}
651
652 The results of applying the proposed scaling algorithm to the NAS benchmarks is demonstrated in tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). These tables are show the experimental results for running the NAS benchmarks on different number of nodes. In general the energy saving percent is decreased  when the number of the computing nodes is increased. Also the distance is decreased by the same direction of the energy saving. This because when we are run the iterative MPI programs on a big number of nodes the communications times is increased, so the static energy is increased linearly to these times. The tables also show that the performance degradation percent still approximately the same ratio or decreased in a very small present when the number of computing nodes is increased. This is gives a good prove that the proposed algorithm keeping the performance degradation as mush as possible is the same. 
653
654 \begin{figure}
655   \centering
656   \subfloat[CG, MG, LU and FT benchmarks]{%
657     \includegraphics[width=.23185\textwidth]{fig/avg_eq}\label{fig:avg_eq}}%
658   \quad%
659   \subfloat[BT and SP benchmarks]{%
660     \includegraphics[width=.23185\textwidth]{fig/avg_neq}\label{fig:avg_neq}}
661   \label{fig:avg}
662   \caption{The average of energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
663 \end{figure}
664
665 In the NAS benchmarks there are some programs executed on different number of
666 nodes. The benchmarks CG, MG, LU and FT executed on 2 to a power of (1, 2, 4, 8,
667 \dots{}) of nodes. The other benchmarks such as BT and SP executed on 2 to a
668 power of (1, 2, 4, 9, \dots{}) of nodes. We are take the average of energy
669 saving, performance degradation and distances for all results of NAS
670 benchmarks. The average of values of these three objectives are plotted to the number of
671 nodes as in plots (\ref{fig:avg_eq} and \ref{fig:avg_neq}).  In CG, MG, LU, and
672 FT benchmarks the average of energy saving is decreased when the number of nodes
673 is increased because the communication times is increased as mentioned
674 before. Thus, the average of distances (our objective function) is decreased
675 linearly with energy saving while keeping the average of performance degradation approximately is 
676 the same. In BT and SP benchmarks, the average of the  energy saving is not decreased
677 significantly compare to other benchmarks when the number of nodes is
678 increased. Nevertheless, the average of performance degradation approximately
679 still the same ratio. This difference is depends on the characteristics of the
680 benchmarks such as the computation to communication ratio that has.
681
682 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
683
684 The results of the previous section are obtained using a percentage of 80\% for
685 dynamic power and 20\% for static power of the total power consumption of a CPU. In this
686 section we are change these ratio by using two others power scenarios. Because is
687 interested to measure the ability of the proposed algorithm when these power ratios are changed. 
688 In fact, we are used two different scenarios for dynamic and static power ratios in addition to the previous
689 scenario in section (\ref{sec.res}). Therefore, we have three different
690 scenarios for three different dynamic and static power ratios refer to these as: 
691 70\%-20\%, 80\%-20\% and 90\%-10\% scenario respectively. The results of these scenarios
692 running the NAS benchmarks class C on 8 or 9 nodes are place in the tables
693 (\ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}).
694
695  \begin{table}[htb]
696   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
697   % title of Table
698   \centering
699   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
700     \hline
701     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
702     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
703     \hline
704     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
705     \hline 
706     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
707    \hline
708     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
709    \hline
710     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
711     \hline
712     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
713    \hline
714     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
715    \hline
716     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
717 \hline 
718   \end{tabular}
719   \label{table:res_s1}
720 \end{table}
721
722
723
724 \begin{table}[htb]
725   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
726   % title of Table
727   \centering
728   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
729     \hline
730     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
731     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
732     \hline
733     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
734     \hline 
735     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
736    \hline
737     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
738    \hline
739     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
740     \hline
741     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
742    \hline
743     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
744    \hline
745     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
746 \hline 
747   \end{tabular}
748   \label{table:res_s2}
749 \end{table}
750
751
752 \begin{figure}
753   \centering
754   \subfloat[Comparison the average of the results on 8 nodes]{%
755     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
756   \quad%
757   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors for 8 nodes]{%
758     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
759   \label{fig:comp}
760   \caption{The comparison of the three power scenarios}
761 \end{figure}
762
763 To compare the results of these three powers scenarios, we are take the average of the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks running on 8 or 9 nodes of class C, as in figure (\ref{fig:sen_comp}). Thus, according to the average of these results, the energy saving ratio is increased when using a higher percentage for dynamic power (e.g. 90\%-10\% scenario), due to increase in dynamic energy. While the average of energy saving is decreased in 70\%-30\% scenario. Because the static energy consumption is increase. Moreover, the average of distances is more related to energy saving changes. The average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). The raison behind these relations, that the proposed algorithm optimize both energy consumption and performance in the same time. Therefore, when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selecting bigger frequency scaling factors values, more energy saving versus more performance degradation, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The inverse happen when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects a smaller scaling values, less energy saving versus less performance degradation. This is because the  
764 algorithm is optimizes the  static energy consumption that is always related to the execution time. 
765
766 \subsection{The verifications of the proposed method}
767 \label{sec.verif}
768 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model EQ(\ref{eq:energy}). The energy model is significantly depends on the execution time model, that the static energy is related linearly. So, our work is depends mainly on execution time model. To verifying thid model, we are compare the predicted execution time with the real execution time (Simgrid time) values that gathered  offline from the NAS benchmarks class B executed on 8 or 9 nodes. The execution time model can predicts the real execution time by maximum normalized error equal to 0.03 for all the NAS benchmarks. The second verification that we are made is for the proposed scaling algorithm to prove its ability to selects the best vector of the frequency scaling factors. Therefore, we are expand the algorithm to test at each iteration the frequency scaling factor of the slowest node with the all available scaling factors of the other nodes, all possible solutions. This version of the algorithm is applied to different NAS benchmarks classes with different number of nodes. The results from the expanded algorithms and the proposed algorithm are identical. While the proposed algorithm is runs  by 10 times faster on average compare to the expanded algorithm.
769
770 \section{Conclusion}
771 \label{sec.concl}
772
773
774 \section*{Acknowledgment}
775
776
777 % trigger a \newpage just before the given reference
778 % number - used to balance the columns on the last page
779 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
780 % the document is modified later
781 %\IEEEtriggeratref{15}
782
783 \bibliographystyle{IEEEtran}
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785 \end{document}
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