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[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
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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 the normalized performance equation, as follows:
65   } 
66   \IEEEauthorblockA{%
67     FEMTO-ST Institute\\
68     University of Franche-Comté\\
69     IUT de Belfort-Montbéliard,
70     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
71     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
72     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
73     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
74    }
75   }
76
77 \maketitle
78
79 \begin{abstract}
80   
81 \end{abstract}
82
83 \section{Introduction}
84 \label{sec.intro}
85 Modern processors continue increasing in a performance. 
86 The CPUs constructors are competing to achieve maximum number 
87 of floating point operations per second (FLOPS). 
88 Thus, the energy consumption and the heat dissipation are increased 
89 drastically according to this increase. Because the number of FLOPS 
90 is linearly related to the power consumption of a CPU
91 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}.  
92 As an example of the more power hungry cluster, Tianhe-2 became in 
93 the top of the Top500 list in June 2014 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}. 
94 It has more than 3 millions of cores and consumed more than 17.8 megawatts. 
95 Moreover, according to the U.S. annual energy outlook 2014 
96 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the price of energy for 1 megawatt-hour 
97 was approximately equal to \$70. 
98 Therefore, we can consider the price of the energy consumption for the 
99 Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 millions  for 
100 one year. For this reason, the heterogeneous clusters must be offer more 
101 energy efficiency due to the increase in the energy cost and the environment 
102 influences. Therefore, a green computing clusters with maximum number of 
103 FLOPS per watt are required nowadays. For example, the GSIC center of Tokyo, 
104 became the top of the Green500 list in June 2014 \cite{Green500_List}. 
105 This platform has more than four thousand of  MFLOPS per watt. Dynamic 
106 voltage and frequency scaling (DVFS) is a process used widely to reduce the energy 
107 consumption of the processor. In a heterogeneous clusters enabled DVFS, many researchers 
108 used DVFS  in a different ways. DVFS can be minimized the energy consumption 
109 but it leads to a disadvantage due to increase in performance degradation. 
110 Therefore,  researchers used different optimization strategies to overcame 
111 this problem. The best tradeoff relation between the energy reduction and 
112 performance degradation ratio is became a key challenges in a heterogeneous 
113 platforms. In this paper we are propose a heterogeneous scaling algorithm  
114 that selects the optimal vector of the frequency scaling factors for distributed 
115 iterative application, producing maximum energy reduction against minimum 
116 performance degradation ratio simultaneously. The algorithm has very small 
117 overhead, works online and not needs for any training or profiling.  
118
119 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
120 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
121 execution time of MPI programs can be predicted.  It also presents an energy
122 model for heterogeneous platforms. Section~\ref{sec.compet} presents
123 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
124 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
125 Section~\ref{sec.optim} details the proposed heterogeneous scaling algorithm.
126 Section~\ref{sec.expe} presents the results of running  the NAS benchmarks on 
127 the proposed heterogeneous platform. It also shows the comparison of three 
128 different power scenarios and it verifies the precision of the proposed algorithm.  
129 Finally, we conclude in Section~\ref{sec.concl} with a summary and some future works.
130
131 \section{Related works}
132 \label{sec.relwork}
133 Energy reduction process for a high performance clusters recently performed using 
134 dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) technique. DVFS is a technique enabled 
135 in a modern processors to scaled down both of the  voltage and the frequency of 
136 the CPU while it is in the computing mode to reduce the energy consumption. DVFS is 
137 also  allowed in the graphical processors GPUs, to achieved the same goal. Applying 
138 DVFS has a dramatical side effect if it is applied to minimum levels to gain more 
139 energy reduction, producing a high percentage of performance degradations for the 
140 parallel applications.  Many researchers used different strategies to solve this 
141 nonlinear problem for example in
142 ~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Dhiman_Online.Learning.Power.Management}, their methods 
143 add big overheads to the algorithm to select the suitable frequency.  
144 In this paper we  present a method 
145 to find the optimal set of frequency scaling factors for a heterogeneous cluster to 
146 simultaneously optimize both the energy and the execution time  without adding a big 
147 overhead. This work is developed from our previous work of a homogeneous cluster~\cite{Our_first_paper}. 
148 Therefore we are interested to present some works that concerned the heterogeneous clusters 
149 enabled DVFS. In general, the heterogeneous cluster works fall into two categorizes: 
150 GPUs-CPUs heterogeneous clusters and CPUs-CPUs heterogeneous clusters. In GPUs-CPUs 
151 heterogeneous clusters some parallel tasks executed on a GPUs and the others executed 
152 on a CPUs. As an example of this works, Luley et al.
153 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed  a heterogeneous 
154 cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal is to determined the 
155 energy efficiency as a function of performance per watt, the best tradeoff is done when the 
156 performance per watt function is maximized. In the work of Kia Ma et al.
157 ~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, They developed a scheduling 
158 algorithm to distributed different workloads proportional to the computing power of the node 
159 to be executed on a CPU or a GPU, emphasize all tasks must be finished in the same time. 
160 Recently, Rong et al.~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Their study explain that 
161 a heterogeneous clusters enabled DVFS using GPUs and CPUs gave better energy and performance 
162 efficiency than other clusters composed of only CPUs. 
163 The CPUs-CPUs heterogeneous clusters consist of number of computing nodes  all of the type CPU. 
164 Our work in this paper can be classified to this type of the clusters. 
165 As an example of this works see  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} work, 
166 They developed a policy to dynamically assigned the frequency to a heterogeneous cluster. 
167 The goal is to minimizing a fixed metric of $energy*delay^2$. Where our proposed method is automatically 
168 optimized  the relation between the energy and the delay of the iterative applications. 
169 Other works such as Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling}, 
170 their algorithm divided the executed tasks into two types: the critical and 
171 non critical tasks. The algorithm scaled down the frequency of the non critical tasks 
172 as function to the  amount of the slack and communication times that 
173 have with maximum of performance degradation percentage of 10\%. In our method there is no 
174 fixed bounds for performance degradation percentage and the bound is dynamically computed 
175 according to the energy and the performance tradeoff relation of the executed application. 
176 There are some approaches used a heterogeneous cluster composed from two different types 
177 of Intel and AMD processors such as~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS} 
178 and \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, they predicated  both the energy 
179 and the performance for each frequency gear, then the algorithm selected the best gear that gave 
180 the best tradeoff. In contrast our algorithm works over a heterogeneous  platform composed of 
181 four different types of processors. Others approaches such as 
182 \cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
183 they are selected the best frequencies for a specified heterogeneous clusters offline using some 
184 heuristic methods. While our proposed algorithm works online during the execution time of 
185 iterative application. Greedy dynamic approach used by Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements},  
186 minimized the power consumption of a heterogeneous severs  with time/space complexity, this approach 
187 had considerable overhead. In our proposed scaling algorithm has very small overhead and 
188 it is works without any previous analysis for the application time complexity. 
189
190 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
191 \label{sec.exe}
192
193 % \JC{The whole subsection ``Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform'',
194 %   can be deleted if we need space, we can just say we are interested in this
195 %   paper in homogeneous clusters}
196
197 \subsection{The execution time of message passing distributed 
198                 iterative applications on a heterogeneous platform}
199
200 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
201 passing distributed iterative synchronous applications running over
202 heterogeneous platforms. We define a heterogeneous platform as a collection of
203 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
204 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
205 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
206 have the same network bandwidth and latency.
207
208 The  overall execution time  of a distributed iterative synchronous application 
209 over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and 
210 the communication time for every iteration on a node. However, due to the 
211 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur 
212 when fast nodes have to  wait, during synchronous communications, for  the slower 
213 nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter}). 
214 Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
215 task which have the highest computation time and no slack time.
216   
217  \begin{figure}[t]
218   \centering
219     \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
220   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
221   \label{fig:heter}
222 \end{figure}
223
224 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
225 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
226 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
227 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
228 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
229 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
230 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
231 as in EQ (\ref{eq:s}).
232 \begin{equation}
233   \label{eq:s}
234  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
235 \end{equation}
236  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
237  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
238  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
239  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
240  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
241  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
242  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
243  The communication time for a task is the summation of  periods of 
244  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
245  till the message is synchronously sent or received.
246
247 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
248 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
249 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
250 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
251 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
252 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
253 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
254 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
255 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
256 vector of scaling factors can be predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
257 \begin{equation}
258   \label{eq:perf}
259  \textit  T_\textit{new} = 
260  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm
261 \end{equation}
262 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first 
263 iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from 
264 the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
265 with scaling factor from each node  added to the communication time of the 
266 slowest node, it means  only the  communication time without any slack time. 
267 Therefore, we can consider the execution time of the iterative application is 
268 equal to the execution time of one iteration as in EQ(\ref{eq:perf}) multiplied 
269 by the number of iterations of that application.
270
271 This prediction model is based on our model for predicting the execution time of 
272 message passing distributed applications for homogeneous architectures~\cite{Our_first_paper}. 
273 The execution time prediction model is used in our method for optimizing both 
274 energy consumption and performance of iterative methods, which is presented in the 
275 following sections.
276
277
278 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
279 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
280 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
281 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
282 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
283 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
284 computation times.  The dynamic power $P_{d}$ is related to the switching
285 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
286 operational frequency $F$, as shown in EQ(\ref{eq:pd}).
287 \begin{equation}
288   \label{eq:pd}
289   P_\textit{d} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
290 \end{equation}
291 The static power $P_{s}$ captures the leakage power as follows:
292 \begin{equation}
293   \label{eq:ps}
294    P_\textit{s}  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
295 \end{equation}
296 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
297 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
298 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
299 to execute a given program can be computed as:
300 \begin{equation}
301   \label{eq:eind}
302    E_\textit{ind} =  P_\textit{d} \cdot Tcp + P_\textit{s} \cdot T
303 \end{equation}
304 where $T$ is the execution time of the program, $T_{cp}$ is the computation
305 time and $T_{cp} \leq T$.  $T_{cp}$ may be equal to $T$ if there is no
306 communication and no slack time.
307
308 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
309 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
310 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
311 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
312 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
313 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ~(\ref{eq:s}).
314 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
315 system's kernel to lower a core's frequency. we can calculate the new frequency 
316 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) as follow:
317 \begin{equation}
318   \label{eq:fnew}
319    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
320 \end{equation}
321 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following 
322 equation for dynamic power consumption:
323 \begin{multline}
324   \label{eq:pdnew}
325    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
326    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
327 \end{multline}
328 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
329 new frequency and the maximum frequency respectively.
330
331 According to EQ(\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
332 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
333 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
334 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
335 and is given by the following equation:
336 \begin{equation}
337   \label{eq:Edyn}
338    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
339 \end{equation}
340 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
341 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
342 we assume that the static power of a processor is constant 
343 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
344 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
345 According to the execution time model in EQ(\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
346 is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
347 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
348 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
349 \begin{equation}
350   \label{eq:Estatic}
351  E_\textit{s} = P_\textit{s} \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
352 \end{equation}
353
354 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and 
355 static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed 
356 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ 
357 noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed 
358 in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. 
359 The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times 
360 if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do 
361 not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency 
362 scaling factor and the dynamic power of each node as in EQ(\ref{eq:Edyn}), the static energy is 
363 computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. 
364 The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a 
365 heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies 
366 for each  processor.  It is computed as follows:
367 \begin{multline}
368   \label{eq:energy}
369  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
370  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
371   {MinTcm))}
372  \end{multline}
373
374 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
375 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
376 application and thus, increase the static energy because the execution time is
377 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. We can measure the overall energy consumption for the iterative 
378 application by measuring  the energy consumption for one iteration as in EQ(\ref{eq:energy}) 
379 multiplied by the number of iterations of that application.
380
381
382 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
383 \label{sec.compet}
384
385 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy 
386 efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced 
387 while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally 
388 decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic 
389 and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by 
390 scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption 
391 of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate 
392 frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor 
393 (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed 
394 (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not 
395 significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{Our_first_paper}, we  proposed a method 
396 that selects the optimal frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message 
397 passing iterative synchronous application while giving the best trade-off  between the energy 
398 consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
399 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not 
400 one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off 
401 between energy consumption and performance. 
402
403 The relation between the energy consumption and the execution time for an application is 
404 complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
405 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
406 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  
407 Moreover, they are not measured using the same metric.  To solve this problem, we normalize the
408 execution time by computing the ratio between the new execution time (after 
409 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum 
410 frequency for all nodes,) as follows:
411 \begin{multline}
412   \label{eq:pnorm}
413   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
414        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
415            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
416 \end{multline}
417
418
419 In the same way, we normalize the energy by computing the ratio between the consumed energy 
420 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
421 \begin{multline}
422   \label{eq:enorm}
423   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
424   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
425  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
426  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
427 \end{multline} 
428 Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}).
429
430  While the main 
431 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
432 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
433 to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the vector  of frequency
434 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
435 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
436 reduction with minimum execution time reduction.  
437
438  
439   
440 Our solution for this problem is to make the optimization process for energy and 
441 execution time follow the same direction.  Therefore, we inverse the equation of the 
442 normalized execution time which gives the normalized performance equation, as follows:
443 \begin{multline}
444   \label{eq:pnorm_inv}
445   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
446           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
447             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
448 \end{multline}
449
450
451 \begin{figure}
452   \centering
453   \subfloat[Homogeneous platform]{%
454     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
455   \qquad%
456   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
457     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
458   \label{fig:rel}
459   \caption{The energy and performance relation}
460 \end{figure}
461
462 Then, we can model our objective function as finding the maximum distance
463 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the  performance
464 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
465 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
466 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}). Then our objective
467 function has the following form:
468 \begin{equation}
469   \label{eq:max}
470   Max Dist = 
471   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
472       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
473        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
474 \end{equation}
475 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
476 Then we can select the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  
477 Our objective function can work with any energy model or any power values for each node 
478 (static and dynamic powers). However, the most energy reduction gain can be achieved when 
479 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}.
480
481 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
482 \label{sec.optim}
483
484 In this section we  propose algorithm~(\ref{HSA}) which selects the frequency scaling factors 
485 vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing 
486 the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous 
487 platform. It works online during the execution time of the iterative message passing program.  
488 It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the 
489 communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first 
490 iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective 
491 function EQ(\ref{eq:max}). The program apply DVFS operations to change the frequencies of the CPUs 
492 according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution 
493 of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called 
494 in the iterative MPI program.
495
496 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message 
497 passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their 
498 computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). 
499 These periods are called idle or slack times. 
500 Our algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the 
501 frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase 
502 the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of 
503 fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely 
504 proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency 
505 scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the 
506 computation time of the node $i$ as follows:
507 \begin{equation}
508   \label{eq:Scp}
509  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
510 \end{equation}
511 Using the initial  frequency scaling factors computed in EQ(\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
512 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
513 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
514 \begin{equation}
515   \label{eq:Fint}
516  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
517 \end{equation}
518 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed 
519 initial frequency is replaced by the nearest available frequency. In  figure (\ref{fig:st_freq}), 
520 the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster 
521 nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new 
522 frequencies are colored in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered 
523 as a higher bound for the search space of the optimal vector of frequencies because selecting frequency 
524 scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and 
525 it will increase its overall energy consumption. Therefore the algorithm that selects the frequency 
526 scaling factors starts the search method from these initial frequencies and takes a downward search direction 
527 toward lower frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all 
528 nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select 
529 the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node 
530 according to EQ(\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  
531 all other nodes by one gear.
532 The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. 
533 The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective 
534 function EQ(\ref{eq:max}).
535
536 The plots~(\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}) illustrate the normalized performance and consumed energy for an 
537 application running on a homogeneous platform and a heterogeneous platform respectively while increasing the 
538 scaling factors. It can be noticed that in a homogeneous platform the search for the optimal scaling factor 
539 should be started from the maximum frequency because the performance and the consumed energy is decreased since  
540 the beginning of the plot. On the other hand, in  the heterogeneous platform the performance is  maintained at 
541 the beginning of the plot even if the frequencies of the faster nodes are decreased until the scaled down nodes 
542 have computing powers lower than the slowest node. In other words, until they reach the higher bound. It can 
543 also be noticed that the higher the difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger 
544 the maximum distance between the energy curve and the performance curve is while varying the scaling factors 
545 which results in bigger energy savings. 
546 \begin{figure}[t]
547   \centering
548     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
549   \caption{Selecting the initial frequencies}
550   \label{fig:st_freq}
551 \end{figure}
552
553
554
555
556 \begin{algorithm}
557   \begin{algorithmic}[1]
558     % \footnotesize
559     \Require ~
560     \begin{description}
561     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
562     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
563     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
564     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
565     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
566     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
567     \end{description}
568     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
569
570     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
571     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
572     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
573     \If{(not the first frequency)}
574           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
575     \EndIf 
576     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
577     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
578     \State $Dist \gets 0$
579     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
580     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
581         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
582         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
583         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
584         \EndIf
585        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
586        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
587                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
588        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
589        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
590       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
591         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
592         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
593       \EndIf
594     \EndWhile
595     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
596   \end{algorithmic}
597   \caption{Heterogeneous scaling algorithm}
598   \label{HSA}
599 \end{algorithm}
600
601 \begin{algorithm}
602   \begin{algorithmic}[1]
603     % \footnotesize
604     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
605       \State Computations section.
606       \State Communications section.
607       \If {$(k=1)$}
608         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
609                communication from each node.
610         \State Call algorithm from Figure~\ref{HSA} with these times.
611         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
612                returned optimal scaling factors.
613         \State Set the new frequencies to nodes.
614       \EndIf
615     \EndFor
616   \end{algorithmic}
617   \caption{DVFS algorithm}
618   \label{dvfs}
619 \end{algorithm}
620
621 \section{Experimental results}
622 \label{sec.expe}
623 To evaluate the efficiency and the overall energy consumption reduction of algorithm~(\ref{HSA}), 
624 it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3  \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}. The experiments were executed 
625 on the simulator SimGrid/SMPI v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile} which offers 
626 easy tools to create a heterogeneous platform and run message passing applications over it. The 
627 heterogeneous platform that was used in the experiments, had one core per node because just one 
628 process was executed per node. The heterogeneous platform  was composed of four types of nodes. 
629 Each type of nodes had different characteristics such as the maximum CPU frequency, the number of
630 available frequencies and the computational power, see table (\ref{table:platform}). The characteristics 
631 of these different types of  nodes are inspired   from the specifications of real Intel processors. 
632 The heterogeneous platform had up to 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, 
633 for example if  a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the constructors 
634 of CPUs do not specify the dynamic and the static power of their CPUs, for each type of node they were 
635 chosen proportionally to  its computing power (FLOPS).  In the initial heterogeneous platform,  while computing 
636 with highest frequency, each node  consumed power proportional to its computing power which 80\% of it was 
637 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}. 
638 Finally, These nodes were connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
639
640
641 \begin{table}[htb]
642   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
643   % title of Table
644   \centering
645   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
646     \hline
647     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
648     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
649                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
650     \hline
651     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~w         &4~w    \\
652                   &           &          &              &                &              &  \\
653     \hline
654     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~w         &5~w    \\
655                   &           &          &              &                &              &  \\
656     \hline
657     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~w         &6~w    \\
658                   &           &          &              &                &              &  \\
659     \hline
660     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~w         &7~w    \\
661                   &           &          &              &                &              &  \\
662     \hline
663   \end{tabular}
664   \label{table:platform}
665 \end{table}
666
667  
668 %\subsection{Performance prediction verification}
669
670
671 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
672 \label{sec.res}
673
674
675 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) 
676 and the benchmarks were executed with the three classes: A,B and C. However, due to the lack of space in 
677 this paper, only the results of the biggest class, C, are presented while being run on different number 
678 of nodes, ranging  from 4 to 128 or 144 nodes depending on the benchmark being executed. Indeed, the 
679 benchmarks CG, MG, LU, EP and FT should be executed on $1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes. 
680 The other benchmarks such as BT and SP should be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
681
682  
683  
684 \begin{table}[htb]
685   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
686   % title of Table
687   \centering
688   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
689     \hline
690     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
691     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
692     \hline
693     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
694     \hline 
695     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
696    \hline
697     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
698    \hline
699     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
700     \hline
701     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
702    \hline
703     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
704    \hline
705     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
706 \hline 
707   \end{tabular}
708   \label{table:res_4n}
709 \end{table}
710
711 \begin{table}[htb]
712   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
713   % title of Table
714   \centering
715   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
716     \hline
717     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
718     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
719     \hline
720     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
721     \hline 
722     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
723    \hline
724     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
725    \hline
726     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
727     \hline
728     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
729    \hline
730     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
731    \hline
732     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
733 \hline 
734   \end{tabular}
735   \label{table:res_8n}
736 \end{table}
737
738 \begin{table}[htb]
739   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
740   % title of Table
741   \centering
742   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
743     \hline
744     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
745     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
746     \hline
747     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
748     \hline 
749     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
750    \hline
751     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
752    \hline
753     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
754     \hline
755     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
756    \hline
757     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
758    \hline
759     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
760 \hline 
761   \end{tabular}
762   \label{table:res_16n}
763 \end{table}
764
765 \begin{table}[htb]
766   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
767   % title of Table
768   \centering
769   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
770     \hline
771     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
772     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
773     \hline
774     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
775     \hline 
776     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
777    \hline
778     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
779    \hline
780     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
781     \hline
782     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
783    \hline
784     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
785    \hline
786     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
787 \hline 
788   \end{tabular}
789   \label{table:res_32n}
790 \end{table}
791
792 \begin{table}[htb]
793   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
794   % title of Table
795   \centering
796   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
797     \hline
798     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
799     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
800     \hline
801     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
802     \hline 
803     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
804    \hline
805     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
806    \hline
807     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
808     \hline
809     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
810    \hline
811     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
812    \hline
813     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
814 \hline 
815   \end{tabular}
816   \label{table:res_64n}
817 \end{table}
818
819
820 \begin{table}[htb]
821   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
822   % title of Table
823   \centering
824   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
825     \hline
826     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
827     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
828     \hline
829     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
830     \hline 
831     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
832    \hline
833     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
834    \hline
835     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
836     \hline
837     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
838    \hline
839     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
840    \hline
841     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
842 \hline 
843   \end{tabular}
844   \label{table:res_128n}
845 \end{table}
846 The overall energy consumption was computed for each instance according to the energy 
847 consumption  model EQ(\ref{eq:energy}), with and without applying the algorithm. The 
848 execution time was also measured for all these experiments. Then, the energy saving 
849 and performance degradation percentages were computed for each instance.  
850 The results are presented in tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, 
851 \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). All these results are the 
852 average values from many experiments for  energy savings and performance degradation.
853
854 The tables  show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks on different 
855 number of nodes. The experiments show that the algorithm reduce significantly the energy 
856 consumption (up to 35\%) and tries to limit the performance degradation. They also show that 
857 the  energy saving percentage is decreased  when the number of the computing nodes is increased. 
858 This reduction is due to the increase of the communication times compared to the execution times 
859 when the benchmarks are run over a high number of nodes. Indeed, the benchmarks with the same class, C, 
860 are executed on different number of nodes, so the computation required for each iteration is divided 
861 by the number of computing nodes.   On the other hand, more communications are required when increasing 
862 the number of nodes so the static energy is increased linearly according to the communication time and 
863 the dynamic power is less relevant in the overall energy consumption. Therefore, reducing the frequency 
864 with algorithm~(\ref{HSA}) have less effect in reducing the overall energy savings. It can also be 
865 noticed that for the benchmarks EP and SP that contain little or no communications,  the energy savings 
866 are not significantly affected with the high number of nodes. No experiments were conducted using bigger 
867 classes such as D, because they require a lot of memory(more than 64GB) when being executed by the simulator 
868 on one machine. The maximum distance between the normalized energy curve and the normalized performance 
869 for each instance is also shown in the result tables. It is decreased in the same way as the energy 
870 saving percentage. The tables also show that the performance degradation percentage is not significantly 
871 increased when the number of computing nodes is increased because the computation times are small when 
872 compared to the communication times.  
873
874
875  
876 \begin{figure}
877   \centering
878   \subfloat[Energy saving]{%
879     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
880   \quad%
881   \subfloat[Performance degradation ]{%
882     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
883   \label{fig:avg}
884   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
885 \end{figure}
886
887 Plots (\ref{fig:energy} and \ref{fig:per_deg}) present the energy saving and performance degradation 
888 respectively for all the benchmarks according to the number of used nodes. As shown in the first plot, 
889 the energy saving percentages of the benchmarks MG, LU, BT and FT are decreased linearly  when the the 
890 number of nodes is increased. While for the  EP and SP benchmarks, the energy saving percentage is not 
891 affected by the increase of the number of computing nodes, because in these benchmarks there are no 
892 communications. Finally, the energy saving of the GC benchmark  is significantly decreased when the number 
893 of nodes is increased because  this benchmark has more communications than the others. The second plot 
894 shows that the performance degradation percentages of most of the benchmarks are decreased when they 
895 run on a big number of nodes because they spend more time communicating than computing, thus, scaling 
896 down the frequencies of some nodes have less effect on the performance. 
897
898
899
900
901 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
902
903 The results of the previous section were obtained while using processors that consume during computation 
904 an overall power which is 80\% composed of  dynamic power and 20\% of static power. In this section, 
905 these ratios are changed and two new power scenarios are considered in order to evaluate how the proposed  
906 algorithm adapts itself according to the static and dynamic power values.  The two new power scenarios 
907 are the following: 
908
909 \begin{itemize}
910 \item 70\% dynamic power  and 30\% static power
911 \item 90\% dynamic power  and 10\% static power
912 \end{itemize}
913
914 The NAS parallel benchmarks were executed again over processors that follow the the new power scenarios. 
915 The class C of each benchmark was run over 8 or 9 nodes and the results are presented in  tables 
916 (\ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}). These tables show that the energy saving percentage of the 70\%-30\% 
917 scenario is less for all benchmarks compared to the energy saving of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in the latter 
918 more dynamic power is consumed when nodes are running on their maximum frequencies, thus, scaling down the frequency 
919 of the nodes results in higher energy savings than in the 70\%-30\% scenario. On the other hand,  the performance 
920 degradation percentage is less in the 70\%-30\% scenario  compared to the 90\%-10\%  scenario. This is due to the 
921 higher static power percentage in the first scenario which makes it more relevant in the overall consumed energy. 
922 Indeed, the static energy is related to the execution time and if the performance is  degraded the total consumed 
923 static energy is directly increased. Therefore, the proposed algorithm do not scales down much the frequencies of the 
924 nodes  in order to limit the increase of the execution time and thus limiting the effect of the consumed static energy .
925
926 The two new power scenarios are compared to the old one in figure (\ref{fig:sen_comp}). It shows the average of 
927 the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks of class C running on 8 or 9 nodes. 
928 The comparison shows that  the energy saving ratio is proportional to the dynamic power ratio: it is increased 
929 when applying the  90\%-10\% scenario because at maximum frequency the dynamic  energy is the the most relevant 
930 in the overall consumed energy and can be reduced by lowering the frequency of some processors. On the other hand, 
931 the energy saving is decreased when  the 70\%-30\% scenario is used because the dynamic  energy is less relevant in 
932 the overall consumed energy and lowering the frequency do not returns big energy savings.
933 Moreover, the average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power 
934 (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). Since the proposed algorithm optimizes the energy consumption 
935 when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selects bigger frequency scaling factors that result in 
936 more energy saving but less performance, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The opposite happens 
937 when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects  smaller scaling values which 
938 results in less energy saving but less performance degradation. 
939
940
941  \begin{table}[htb]
942   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
943   % title of Table
944   \centering
945   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
946     \hline
947     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
948     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
949     \hline
950     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
951     \hline 
952     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
953    \hline
954     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
955    \hline
956     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
957     \hline
958     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
959    \hline
960     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
961    \hline
962     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
963 \hline 
964   \end{tabular}
965   \label{table:res_s1}
966 \end{table}
967
968
969
970 \begin{table}[htb]
971   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
972   % title of Table
973   \centering
974   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
975     \hline
976     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
977     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
978     \hline
979     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
980     \hline 
981     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
982    \hline
983     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
984    \hline
985     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
986     \hline
987     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
988    \hline
989     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
990    \hline
991     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
992 \hline 
993   \end{tabular}
994   \label{table:res_s2}
995 \end{table}
996
997
998 \begin{figure}
999   \centering
1000   \subfloat[Comparison the average of the results on 8 nodes]{%
1001     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1002   \quad%
1003   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1004     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1005   \label{fig:comp}
1006   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1007 \end{figure}  
1008
1009
1010
1011 \subsection{The verifications of the proposed method}
1012 \label{sec.verif}
1013 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
1014 EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model computed by EQ(\ref{eq:energy}). 
1015 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
1016 linearly related the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
1017 the work presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
1018 execution time was compared to  the real execution time over Simgrid for all  the NAS parallel benchmarks 
1019 running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
1020 the maximum normalized difference between  the predicted execution time  and the real execution time is equal 
1021 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
1022
1023 Since  the proposed algorithm is not an exact method and do not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
1024 in the search space and to prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
1025 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
1026 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
1027 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
1028 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
1029 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 
1030 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
1031 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
1032 vector of frequency scaling factors that gives the results of the section (\ref{sec.res}).
1033
1034 \section{Conclusion}
1035 \label{sec.concl}
1036
1037
1038 \section*{Acknowledgment}
1039
1040
1041 % trigger a \newpage just before the given reference
1042 % number - used to balance the columns on the last page
1043 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1044 % the document is modified later
1045 %\IEEEtriggeratref{15}
1046
1047 \bibliographystyle{IEEEtran}
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1049 \end{document}
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