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53 \begin{document} 
54
55 \title{Energy Consumption Reduction for Message Passing Iterative  Applications in Heterogeneous Architecture Using DVFS}
56  
57 \author{% 
58   \IEEEauthorblockN{%
59     Jean-Claude Charr,
60     Raphaël Couturier,
61     Ahmed Fanfakh and
62     Arnaud Giersch
63   } 
64   \IEEEauthorblockA{%
65     FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comte\\
66     IUT de Belfort-Montbéliard,
67     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
68     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
69     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
70     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
71    }
72   }
73
74 \maketitle
75
76 \begin{abstract}
77 Computing platforms  are consuming  more and more  energy due to  the increasing
78 number  of nodes  composing  them.  To  minimize  the operating  costs of  these
79 platforms many techniques have been  used. Dynamic voltage and frequency scaling
80 (DVFS) is  one of them. It  reduces the frequency of  a CPU to  lower its energy
81 consumption.  However,  lowering the  frequency  of  a  CPU might  increase  the
82 execution  time of  an application  running on  that processor.   Therefore, the
83 frequency that  gives the best trade-off  between the energy  consumption and the
84 performance of an application must be selected.\\
85 In this  paper, a new  online frequencies selecting algorithm  for heterogeneous
86 platforms is presented.   It selects the frequency which tries  to give the best
87 trade-off  between  energy saving  and  performance  degradation,  for each  node
88 computing the message  passing iterative application. The algorithm  has a small
89 overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model for
90 message passing iterative applications  running on a heterogeneous platform. The
91 proposed algorithm is  evaluated on the SimGrid simulator  while running the NAS
92 parallel  benchmarks.  The  experiments   show  that  it  reduces  the  energy
93 consumption by up to 35\% while  limiting the performance degradation as much as
94 possible.   Finally,  the algorithm  is  compared  to  an existing  method,  the
95 comparison results showing that it outperforms the latter.
96
97 \end{abstract}
98
99 \section{Introduction}
100 \label{sec.intro}
101 The  need for  more  computing  power is  continually  increasing. To  partially
102 satisfy  this need,  most supercomputers  constructors just  put  more computing
103 nodes in their  platform. The resulting platforms might  achieve higher floating
104 point operations  per second  (FLOPS), but the  energy consumption and  the heat
105 dissipation  are  also increased.   As  an  example,  the Chinese  supercomputer
106 Tianhe-2 had  the highest FLOPS  in November 2014  according to the  Top500 list
107 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was  also the most power hungry
108 platform  with  its  over  3  million cores  consuming  around  17.8  megawatts.
109 Moreover,    according   to    the    U.S.    annual    energy   outlook    2014
110 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the  price of energy  for 1 megawatt-hour
111 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
112 the Tianhe-2  platform is approximately more  than \$10 million  each year.  The
113 computing platforms must  be more energy efficient and  offer the highest number
114 of FLOPS  per watt  possible, such as  the L-CSC  from the GSI  Helmholtz Center
115 which became the top of the Green500 list in November 2014 \cite{Green500_List}.
116 This heterogeneous platform executes more than 5 GFLOPS per watt while consuming
117 57.15 kilowatts.
118
119 Besides platform  improvements, there are many software  and hardware techniques
120 to lower  the energy consumption of  these platforms, such  as scheduling, DVFS,
121 \dots{}  DVFS is a widely used process to reduce the energy consumption of a
122 processor            by             lowering            its            frequency
123 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
124 the number of FLOPS executed by the processor which might increase the execution
125 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
126 different optimization  strategies to select  the frequency that gives  the best
127 trade-off  between the  energy reduction  and performance  degradation  ratio. In
128 \cite{Our_first_paper}, a  frequency selecting algorithm was  proposed to reduce
129 the energy  consumption of message  passing iterative applications  running over
130 homogeneous platforms.  The results of  the experiments show  significant energy
131 consumption  reductions. In  this  paper, a  new  frequency selecting  algorithm
132 adapted  for heterogeneous  platform  is  presented. It  selects  the vector  of
133 frequencies, for  a heterogeneous platform  running a message  passing iterative
134 application, that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
135 minimum performance degradation ratio. The  algorithm has a very small overhead,
136 works online and does not need any training or profiling.
137
138 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
139 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
140 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
141 model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
142 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
143 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
144 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified. 
145 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
146 on a heterogeneous platform. It shows the results of running three 
147 different power scenarios and comparing them. Moreover, it also shows the comparison results
148 between the proposed method and an existing method.
149 Finally, in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
150
151 \section{Related works}
152 \label{sec.relwork}
153 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
154 the frequency of the CPU while computing, in order to reduce the energy
155 consumption of the processor. DVFS is also allowed in GPUs to achieve the same
156 goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and might
157 degrade the performance of the application running on that processor, especially
158 if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a
159 processor to satisfy some objectives while taking into account all the
160 constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different
161 strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that
162 compute the new frequency while executing the application, such
163 as~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}.
164 Others used offline methods that might need to run the application and profile
165 it before selecting the new frequency, such
166 as~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}.
167 The methods could be heuristics, exact or brute force methods that satisfy
168 varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be
169 adapted to the execution's environment and the type of the application such as
170 sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous
171 platform, synchronous or asynchronous application, \dots{}
172
173 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
174 Some works have already been done for such platforms and they can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
175 \begin{itemize}
176
177 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
178 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
179
180 \end{itemize}
181
182 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are
183 executed on the GPUs and the rest are executed on the CPUs.  Luley et
184 al.~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed a
185 heterogeneous cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main
186 goal was to maximize the energy efficiency of the platform during computation by
187 maximizing the number of FLOPS per watt generated.
188 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et
189 al. developed a scheduling algorithm that distributes workloads proportional to
190 the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks
191 must be completed at the same time.  In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU},
192 Rong et al. showed that a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables
193 DVFS gave better energy and performance efficiency than other clusters only
194 composed of CPUs.
195  
196 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with
197 heterogeneous CPUs.  Many methods were conceived to reduce the energy
198 consumption of this type of platform.  Naveen et
199 al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} developed a method that
200 minimizes the value of $energy\cdot delay^2$ (the delay is the sum of slack
201 times that happen during synchronous communications) by dynamically assigning
202 new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster. Lizhe et
203 al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed an algorithm
204 that divides the executed tasks into two types: the critical and non critical
205 tasks. The algorithm scales down the frequency of non critical tasks
206 proportionally to their slack and communication times while limiting the
207 performance degradation percentage to less than
208 10\%. In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed a
209 heterogeneous cluster composed of two types of Intel and AMD processors. They
210 use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
211 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and
212 \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, the best
213 frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using
214 some heuristic. Chen et
215 al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic
216 programming approach to minimize the power consumption of heterogeneous servers
217 while respecting given time constraints. This approach had considerable
218 overhead.  In contrast to the above described papers, this paper presents the
219 following contributions :
220 \begin{enumerate}
221 \item  two new energy and performance models for message passing iterative synchronous applications running over 
222        a heterogeneous platform. Both models take into account  communication and slack times. The models can predict the required energy and the execution time of the application.
223        
224 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous platforms. The algorithm has a very small 
225       overhead and does not need any training or profiling. It uses a new optimization function which simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption of a message passing iterative synchronous application.
226       
227 \end{enumerate}
228
229 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
230 \label{sec.exe}
231
232
233
234 \subsection{The execution time of message passing distributed 
235                 iterative applications on a heterogeneous platform}
236
237 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
238 passing distributed iterative synchronous applications running over
239 heterogeneous platforms. A heterogeneous platform is defined as a collection of
240 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
241 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
242 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
243 have the same network bandwidth and latency.
244
245 The overall execution time of a distributed iterative synchronous application
246 over a heterogeneous platform consists of the sum of the computation time and
247 the communication time for every iteration on a node. However, due to the
248 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur
249 when fast nodes have to wait, during synchronous communications, for the slower
250 nodes to finish their computations (see Figure~\ref{fig:heter}).  Therefore, the
251 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task
252 which has the highest computation time and no slack time.
253   
254  \begin{figure}[!t]
255   \centering
256    \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
257   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
258   \label{fig:heter}
259 \end{figure}
260
261 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
262 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
263 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
264 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
265 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
266 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
267 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
268 as in (\ref{eq:s}).
269 \begin{equation}
270   \label{eq:s}
271  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
272 \end{equation}
273  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
274  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
275  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
276  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
277  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
278  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
279  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
280  The communication time for a task is the summation of  periods of 
281  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
282  until the message is synchronously sent or received.
283
284 Since in a heterogeneous platform each node has different characteristics,
285 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
286 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
287 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
288 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
289 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
290 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
291 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
292 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
293 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
294 \begin{equation}
295   \label{eq:perf}
296  \textit  T_\textit{new} = 
297  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm 
298 \end{equation}
299 Where:
300 \begin{equation}
301 \label{eq:perf2}
302  MinTcm = \min_{i=1,2,\dots,N} (Tcm_i)
303 \end{equation}
304 where  $TcpOld_i$ is  the computation  time of  processor $i$  during  the first
305 iteration and $MinTcm$  is the communication time of  the slowest processor from
306 the  first iteration.   The model  computes  the maximum  computation time  with
307 scaling factor  from each node  added to the  communication time of  the slowest
308 node. It means only the communication  time without any slack time is taken into
309 account.  Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
310 the  execution time of  one iteration  as in  (\ref{eq:perf}) multiplied  by the
311 number of iterations of that application.
312
313 This prediction model is developed from  the model to predict the execution time
314 of     message    passing     distributed    applications     for    homogeneous
315 architectures~\cite{Our_first_paper}.   The execution  time prediction  model is
316 used in  the method  to optimize both the energy consumption and the performance of
317 iterative methods, which is presented in the following sections.
318
319
320 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
321 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
322 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
323 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
324 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
325 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
326 computation times.  The dynamic power $Pd$ is related to the switching
327 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
328 operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
329 \begin{equation}
330   \label{eq:pd}
331   Pd = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
332 \end{equation}
333 The static power $Ps$ captures the leakage power as follows:
334 \begin{equation}
335   \label{eq:ps}
336    Ps  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
337 \end{equation}
338 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
339 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
340 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
341 to execute a given program can be computed as:
342 \begin{equation}
343   \label{eq:eind}
344    E_\textit{ind} =  Pd \cdot Tcp + Ps \cdot T
345 \end{equation}
346 where $T$ is the execution time of the program, $Tcp$ is the computation
347 time and $Tcp \le T$.  $Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
348 communication and no slack time.
349
350 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
351 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
352 constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the dynamic
353 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
354 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
355 ratio between the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).
356 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
357 system's kernel to lower a core's frequency. The new frequency 
358 $F_{new}$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as follows:
359 \begin{equation}
360   \label{eq:fnew}
361    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
362 \end{equation}
363 Replacing $F_{new}$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following 
364 equation for dynamic power consumption:
365 \begin{multline}
366   \label{eq:pdnew}
367    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
368    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
369 \end{multline}
370 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
371 new frequency and the maximum frequency respectively.
372
373 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
374 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
375 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
376 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
377 and is given by the following equation:
378 \begin{equation}
379   \label{eq:Edyn}
380    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
381 \end{equation}
382 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
383 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
384  the static power of a processor is considered as constant 
385 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
386 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
387 According to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
388 is the sum of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
389 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
390 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
391 \begin{equation}
392   \label{eq:Estatic}
393  E_\textit{s} = Ps \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
394 \end{equation}
395
396 In  the  considered  heterogeneous  platform,  each  processor  $i$  might  have
397 different   dynamic  and  static   powers,  noted   as  $Pd_{i}$   and  $Ps_{i}$
398 respectively.  Therefore,  even if  the  distributed  message passing  iterative
399 application  is  load balanced,  the  computation time  of  each  CPU $i$  noted
400 $Tcp_{i}$ might  be different and  different frequency scaling factors  might be
401 computed in order to decrease  the overall energy consumption of the application
402 and reduce slack  times.  The communication time of a processor  $i$ is noted as
403 $Tcm_{i}$  and could  contain slack  times when  communicating  with slower
404 nodes,  see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore,  all nodes  do  not have  equal
405 communication  times. While  the dynamic  energy  is computed  according to  the
406 frequency  scaling   factor  and   the  dynamic  power   of  each  node   as  in
407 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed  as the sum of the execution time
408 of  one iteration multiplied  by the static  power of  each processor.   The overall
409 energy consumption of a message  passing distributed application executed over a
410 heterogeneous platform during one iteration  is the summation of all dynamic and
411 static energies for each processor.  It is computed as follows:
412 \begin{multline}
413   \label{eq:energy}
414  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
415  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
416   {MinTcm))}
417  \end{multline}
418
419 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
420 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
421 application and thus, increase the static energy because the execution time is
422 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption for the iterative 
423 application can be measured by measuring  the energy consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) 
424 multiplied by the number of iterations of that application.
425
426
427 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
428 \label{sec.compet}
429
430 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
431 energy efficient  execution of an  application. Indeed, even though  the dynamic
432 power  is  reduced  while  scaling  down  the  frequency  of  a  processor,  its
433 computation power  is proportionally decreased. Hence, the  execution time might
434 be drastically  increased and  during that time,  dynamic and static  powers are
435 being consumed.  Therefore,  it might cancel any gains  achieved by scaling down
436 the frequency of all nodes to  the minimum and the overall energy consumption of
437 the application might not  be the optimal one.  It is not  trivial to select the
438 appropriate frequency  scaling factor for  each processor while  considering the
439 characteristics  of each  processor  (computation power,  range of  frequencies,
440 dynamic  and static  powers)  and the  task executed  (computation/communication
441 ratio). The  aim being  to reduce  the overall energy  consumption and  to avoid
442 increasing    significantly    the    execution    time.   In    our    previous
443 work~\cite{Our_first_paper},  we  proposed a  method  that  selects the  optimal
444 frequency scaling factor  for a homogeneous cluster executing  a message passing
445 iterative synchronous  application while giving  the best trade-off  between the
446 energy consumption and  the performance for such applications.   In this work we
447 are  interested  in heterogeneous  clusters  as  described  above.  Due  to  the
448 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should
449 be selected and  it must give the best trade-off  between energy consumption and
450 performance.
451
452 The  relation between  the  energy consumption  and  the execution  time for  an
453 application  is complex  and nonlinear,  Thus, unlike  the relation  between the
454 execution time and  the scaling factor, the relation between  the energy and the
455 frequency   scaling    factors   is   nonlinear,   for    more   details   refer
456 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.   Moreover,  these relations
457 are not  measured using the same  metric.  To solve this  problem, the execution
458 time is normalized by computing the  ratio between the new execution time (after
459 scaling  down the  frequencies of  some processors)  and the  initial  one (with
460 maximum frequency for all nodes) as follows:
461 \begin{multline}
462   \label{eq:pnorm}
463   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
464        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
465            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
466 \end{multline}
467
468
469 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the consumed energy 
470 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
471 \begin{multline}
472   \label{eq:enorm}
473   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
474   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
475  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
476  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
477 \end{multline} 
478 Where $E_\textit{Reduced}$ and $E_\textit{Original}$ are computed using (\ref{eq:energy}) and
479   $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in (\ref{eq:pnorm}).
480
481 While the main 
482 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
483 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
484 to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the vector  of frequency
485 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
486 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
487 reduction with minimum execution time reduction.  
488   
489 This problem can be solved by making the optimization process for energy and 
490 execution time following the same direction.  Therefore, the equation of the 
491 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance equation, as follows:
492 \begin{multline}
493   \label{eq:pnorm_inv}
494   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
495           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
496             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
497 \end{multline}
498
499
500 \begin{figure}[!t]
501   \centering
502   \subfloat[Homogeneous platform]{%
503     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
504   
505   
506   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
507     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
508   \label{fig:rel}
509   \caption{The energy and performance relation}
510 \end{figure}
511
512 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
513 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
514 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
515 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
516 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} or
517 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
518 \begin{equation}
519   \label{eq:max}
520   Max Dist = 
521   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
522       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
523        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
524 \end{equation}
525 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each node. 
526 Then, the optimal set of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
527 The objective function can work with any energy model or any power values for each node 
528 (static and dynamic powers). However, the most important energy reduction gain can be achieved when 
529 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}.
530
531 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
532 \label{sec.optim}
533
534 \subsection{The algorithm details}
535 In this section, Algorithm~\ref{HSA} is presented. It selects the frequency
536 scaling factors vector that gives the best trade-off between minimizing the
537 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
538 synchronous iterative application executed on a heterogeneous platform. It works
539 online during the execution time of the iterative message passing program.  It
540 uses information gathered during the first iteration such as the computation
541 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
542 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
543 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
544 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
545 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
546 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
547 scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
548
549 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus
550 while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes
551 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
552 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
553 periods are called idle or slack times.  The algorithm takes into account this
554 problem and tries to reduce these slack times when selecting the frequency
555 scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors
556 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
557 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
558 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
559 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
560 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
561 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
562 \begin{equation}
563   \label{eq:Scp}
564  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
565 \end{equation}
566 Using the initial  frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
567 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
568 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
569 \begin{equation}
570   \label{eq:Fint}
571  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
572 \end{equation}
573 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
574 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
575 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing power in
576 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
577 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
578 frequencies are colored in blue in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
579 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
580 optimal vector of frequencies because selecting frequency scaling factors higher
581 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
582 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
583 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
584 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
585 frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher
586 bound until all nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall
587 energy consumption and performance, and select the optimal frequency scaling
588 factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node
589 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged,
590 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
591 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
592 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
593 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
594
595 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}  illustrate the normalized performance and
596 consumed  energy for  an application  running on  a homogeneous  platform  and a
597 heterogeneous platform respectively while increasing the scaling factors. It can
598 be noticed  that in a  homogeneous platform the  search for the  optimal scaling
599 factor should start  from the maximum frequency because  the performance and the
600 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand,
601 in the heterogeneous platform the  performance is maintained at the beginning of
602 the plot  even if the  frequencies of the  faster nodes decrease  until the
603 computing power of scaled down  nodes are lower than the slowest  node. In other
604 words, until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher
605 the difference between the faster nodes  and the slower nodes is, the bigger the
606 maximum distance  between the  energy curve and  the performance curve  is while
607  the scaling factors are varying which results in bigger energy savings.
608 \begin{figure}[!t]
609   \centering
610     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
611   \caption{Selecting the initial frequencies}
612   \label{fig:st_freq}
613 \end{figure}
614
615
616
617
618 \begin{algorithm}
619   \begin{algorithmic}[1]
620     % \footnotesize
621     \Require ~
622     \begin{description}
623     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
624     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
625     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
626     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
627     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
628     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
629     \end{description}
630     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
631
632     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
633     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
634     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
635     \If{(not the first frequency)}
636           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
637     \EndIf 
638     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
639     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
640     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
641     \State $Dist \gets 0 $
642     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
643         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
644         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
645         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
646         \EndIf
647        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
648        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
649                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
650        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
651        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
652       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
653         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
654         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
655       \EndIf
656     \EndWhile
657     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
658   \end{algorithmic}
659   \caption{frequency scaling factors selection algorithm}
660   \label{HSA}
661 \end{algorithm}
662
663 \begin{algorithm}
664   \begin{algorithmic}[1]
665     % \footnotesize
666     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
667       \State Computations section.
668       \State Communications section.
669       \If {$(k=1)$}
670         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
671                communication from each node.
672         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
673         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
674                returned optimal scaling factors.
675         \State Set the new frequencies to nodes.
676       \EndIf
677     \EndFor
678   \end{algorithmic}
679   \caption{DVFS algorithm}
680   \label{dvfs}
681 \end{algorithm}
682
683 \subsection{The evaluation of the proposed algorithm}
684 \label{sec.verif.algo}
685 The precision  of the  proposed algorithm mainly  depends on the  execution time
686 prediction model  defined in  (\ref{eq:perf}) and the  energy model  computed by
687 (\ref{eq:energy}).   The energy  model is  also significantly  dependent  on the
688 execution  time model  because  the static  energy  is linearly  related to  the
689 execution time  and the dynamic energy  is related to the  computation time. So,
690 all the works presented  in this paper are based on the  execution time model. To
691 verify  this  model, the  predicted  execution time  was  compared  to the  real
692 execution          time           over          SimGrid/SMPI          simulator,
693 v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile},   for   all   the   NAS
694 parallel benchmarks NPB v3.3  \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}, running class B on
695 8 or  9 nodes. The comparison showed  that the proposed execution  time model is
696 very precise, the maximum  normalized difference between the predicted execution
697 time and the real execution time is equal to 0.03 for all the NAS benchmarks.
698
699 Since the proposed algorithm is not an exact method it does not test all the
700 possible solutions (vectors of scaling factors) in the search space. To prove
701 its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search
702 algorithm that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was
703 applied to different NAS benchmarks classes with different number of nodes. The
704 solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were
705 identical and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the
706 brute force algorithm. It has a small execution time: for a heterogeneous
707 cluster composed of four different types of nodes having the characteristics
708 presented in Table~\ref{table:platform}, it takes on average \np[ms]{0.04} for 4
709 nodes and \np[ms]{0.15} on average for 144 nodes to compute the best scaling
710 factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$
711 is the number of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The
712 algorithm needs from 12 to 20 iterations to select the best vector of frequency
713 scaling factors that gives the results of the next sections.
714
715 \section{Experimental results}
716 \label{sec.expe}
717 To  evaluate the  efficiency and  the  overall energy  consumption reduction  of
718 Algorithm~\ref{HSA}, it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3. The
719 experiments were executed on the  simulator SimGrid/SMPI which offers easy tools
720 to create a heterogeneous platform and run message passing applications over it.
721 The heterogeneous  platform that was used  in the experiments, had  one core per
722 node because just one process was executed per node.  The heterogeneous platform
723 was  composed  of  four  types  of  nodes. Each  type  of  nodes  had  different
724 characteristics  such as  the maximum  CPU  frequency, the  number of  available
725 frequencies  and the  computational power,  see Table~\ref{table:platform}. The
726 characteristics  of  these  different  types  of nodes  are  inspired  from  the
727 specifications of real  Intel processors.  The heterogeneous platform  had up to
728 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, for example if
729 a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the
730 constructors of  CPUs do not specify the  dynamic and the static  power of their
731 CPUs, for  each type of  node they were  chosen proportionally to  its computing
732 power  (FLOPS).  In  the initial  heterogeneous platform,  while  computing with
733 highest frequency,  each node  consumed an amount  of power proportional  to its
734 computing  power  (which  corresponds to  80\%  of  its  dynamic power  and  the
735 remaining  20\%  to  the  static   power),  the  same  assumption  was  made  in
736 \cite{Our_first_paper,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.    Finally,  These
737 nodes were connected via an Ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
738
739
740 \begin{table}[!t]
741   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
742   % title of Table
743   \centering
744   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
745     \hline
746     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
747     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
748                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
749     \hline
750     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~W         &4~W    \\
751          
752     \hline
753     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~W         &5~W    \\
754                   
755     \hline
756     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~W         &6~W    \\
757                   
758     \hline
759     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~W         &7~W    \\
760                   
761     \hline
762   \end{tabular}
763   \label{table:platform}
764 \end{table}
765
766  
767 %\subsection{Performance prediction verification}
768
769
770 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
771 \label{sec.res}
772
773
774 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG,
775 MG, FT, BT, LU and SP) and  the benchmarks were executed with the three classes:
776 A, B and C. However, due to the lack of space in this paper, only the results of
777 the  biggest class,  C, are  presented while  being run  on different  number of
778 nodes,  ranging from 4  to 128  or 144  nodes depending  on the  benchmark being
779 executed. Indeed, the benchmarks CG, MG, LU, EP and FT had to be executed on $1,
780 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes.   The other benchmarks such as BT and SP had to
781 be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
782
783  
784  
785 \begin{table}[!t]
786   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
787   % title of Table
788   \centering
789   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
790     \hline
791     \hspace{-2.2084pt}%
792     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
793     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
794     \hline
795     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
796     \hline 
797     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
798    \hline
799     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
800    \hline
801     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
802     \hline
803     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
804    \hline
805     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
806    \hline
807     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
808 \hline 
809   \end{tabular}
810   \label{table:res_4n}
811 % \end{table}
812
813 \medskip
814 % \begin{table}[!t]
815   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
816   % title of Table
817   \centering
818   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
819     \hline
820      \hspace{-2.2084pt}%
821     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
822     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
823     \hline
824     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
825     \hline 
826     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
827    \hline
828     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
829    \hline
830     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
831     \hline
832     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
833    \hline
834     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
835    \hline
836     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
837 \hline 
838   \end{tabular}
839   \label{table:res_8n}
840 % \end{table}
841
842 \medskip
843 % \begin{table}[!t]
844   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
845   % title of Table
846   \centering
847   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
848     \hline
849     \hspace{-2.2084pt}%
850     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
851     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
852     \hline
853     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
854     \hline 
855     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
856    \hline
857     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
858    \hline
859     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
860     \hline
861     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
862    \hline
863     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
864    \hline
865     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
866 \hline 
867   \end{tabular}
868   \label{table:res_16n}
869 % \end{table}
870
871 \medskip
872 % \begin{table}[!t]
873   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
874   % title of Table
875   \centering
876   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
877     \hline
878     \hspace{-2.2084pt}%
879     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
880     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
881     \hline
882     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
883     \hline 
884     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
885    \hline
886     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
887    \hline
888     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
889     \hline
890     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
891    \hline
892     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
893    \hline
894     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
895 \hline 
896   \end{tabular}
897   \label{table:res_32n}
898 % \end{table}
899
900 \medskip
901 % \begin{table}[!t]
902   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
903   % title of Table
904   \centering
905   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
906     \hline
907     \hspace{-2.2084pt}%
908     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
909     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
910     \hline
911     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
912     \hline 
913     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
914    \hline
915     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
916    \hline
917     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
918     \hline
919     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
920    \hline
921     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
922    \hline
923     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
924 \hline 
925   \end{tabular}
926   \label{table:res_64n}
927 % \end{table}
928
929 \medskip
930 % \begin{table}[!t]
931   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
932   % title of Table
933   \centering
934   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
935     \hline
936     \hspace{-2.2084pt}%
937     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
938     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
939     \hline
940     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
941     \hline 
942     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
943    \hline
944     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
945    \hline
946     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
947     \hline
948     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
949    \hline
950     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
951    \hline
952     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
953 \hline 
954   \end{tabular}
955   \label{table:res_128n}
956 \end{table}
957 The overall energy  consumption was computed for each  instance according to the
958 energy  consumption  model  (\ref{eq:energy}),  with and  without  applying  the
959 algorithm. The execution time was also measured for all these experiments. Then,
960 the energy saving and performance degradation percentages were computed for each
961 instance.    The   results   are   presented  in   Tables~\ref{table:res_4n},
962 \ref{table:res_8n},           \ref{table:res_16n},          \ref{table:res_32n},
963 \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}. All these results are the average
964 values  from many experiments  for energy  savings and  performance degradation.
965 The tables show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks
966 on  different  number  of  nodes.   The  experiments  show  that  the  algorithm
967 significantly reduces the energy consumption (up to 35\%) and tries to limit the
968 performance  degradation.  They  also  show that  the  energy saving  percentage
969 decreases when the  number of computing nodes increases.   This reduction is due
970 to the increase of the communication  times compared to the execution times when
971 the benchmarks are run over a high number of nodes.  Indeed, the benchmarks with
972 the  same  class,  C,  are  executed  on different  numbers  of  nodes,  so  the
973 computation required  for each iteration is  divided by the  number of computing
974 nodes.  On the other hand,  more communications are required when increasing the
975 number  of  nodes so  the  static energy  increases  linearly  according to  the
976 communication time and the dynamic power  is less relevant in the overall energy
977 consumption.   Therefore, reducing the  frequency with  Algorithm~\ref{HSA} is
978 less effective  in reducing the overall  energy savings. It can  also be noticed
979 that for the benchmarks EP and  SP that contain little or no communications, the
980 energy savings are  not significantly affected by the high  number of nodes.  No
981 experiments were conducted  using bigger classes than D,  because they require a
982 lot  of memory (more  than 64GB)  when being  executed by  the simulator  on one
983 machine.   The maximum  distance between  the  normalized energy  curve and  the
984 normalized performance for each instance is  also shown in the result tables. It
985 decrease in the same way as  the energy saving percentage.  The tables also show
986 that the performance degradation  percentage is not significantly increased when
987 the number  of computing  nodes is increased  because the computation  times are
988 small when compared to the communication times.
989
990
991  
992 \begin{figure}[!t]
993   \centering
994   \subfloat[Energy saving]{%
995     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
996   
997   \subfloat[Performance degradation ]{%
998     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
999   \label{fig:avg}
1000   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with a different number of nodes}
1001 \end{figure}
1002
1003 Figures~\ref{fig:energy} and  \ref{fig:per_deg} present  the energy  saving and
1004 performance  degradation respectively for  all the  benchmarks according  to the
1005 number of used nodes. As shown  in the first plot, the energy saving percentages
1006 of the benchmarks MG,  LU, BT and FT decrease linearly when  the number of nodes
1007 increase. While  for the EP and  SP benchmarks, the energy  saving percentage is
1008 not affected by the increase of  the number of computing nodes, because in these
1009 benchmarks there are little or  no communications. Finally, the energy saving of
1010 the  GC benchmark  significantly  decrease  when the  number  of nodes  increase
1011 because this benchmark has more  communications than the others. The second plot
1012 shows that  the performance  degradation percentages of  most of  the benchmarks
1013 decrease when  they run on a  big number of  nodes because they spend  more time
1014 communicating than computing,  thus, scaling down the frequencies  of some nodes
1015 has less effect on the performance.
1016
1017
1018
1019
1020 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
1021 \label{sec.compare}
1022 The results  of the previous section  were obtained while  using processors that
1023 consume during  computation an overall power  which is 80\%  composed of dynamic
1024 power and of 20\% of static power. In this section, these ratios are changed and
1025 two new  power scenarios are  considered in order  to evaluate how  the proposed
1026 algorithm adapts itself  according to the static and  dynamic power values.  The
1027 two new power scenarios are the following:
1028
1029 \begin{itemize}
1030 \item 70\% of dynamic power  and 30\% of static power
1031 \item 90\% of dynamic power  and 10\% of static power
1032 \end{itemize}
1033
1034 The NAS parallel benchmarks were  executed again over processors that follow the
1035 new power scenarios.   The class C of each  benchmark was run over 8  or 9 nodes
1036 and   the    results   are   presented   in    Tables~\ref{table:res_s1}   and
1037 \ref{table:res_s2}. These tables  show that the energy saving  percentage of the
1038 70\%-30\% scenario is  smaller for all benchmarks compared  to the energy saving
1039 of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in  the latter more dynamic power is consumed
1040 when  nodes are running  on their  maximum frequencies,  thus, scaling  down the
1041 frequency of  the nodes results in  higher energy savings than  in the 70\%-30\%
1042 scenario. On the  other hand, the performance degradation  percentage is smaller
1043 in the 70\%-30\% scenario compared to the 90\%-10\% scenario. This is due to the
1044 higher  static  power percentage  in  the first  scenario  which  makes it  more
1045 relevant in the  overall consumed energy.  Indeed, the  static energy is related
1046 to the execution time and if  the performance is degraded the amount of consumed
1047 static  energy directly  increases.  Therefore,  the proposed  algorithm  does not
1048 really significantly  scale down much the  frequencies of the nodes  in order to
1049 limit the  increase of the  execution time and  thus limiting the effect  of the
1050 consumed static energy.
1051
1052 Both   new  power   scenarios   are  compared   to   the  old   one  in
1053 Figure~\ref{fig:sen_comp}. It  shows the average of the  performance degradation, the
1054 energy saving and the  distances for all NAS benchmarks of class  C running on 8
1055 or 9 nodes.   The comparison shows that the energy  saving ratio is proportional
1056 to the dynamic power ratio: it is increased when applying the 90\%-10\% scenario
1057 because at  maximum frequency  the dynamic  energy is the  most relevant  in the
1058 overall consumed  energy and can  be reduced by  lowering the frequency  of some
1059 processors. On  the other hand, the  energy saving decreases  when the 70\%-30\%
1060 scenario is  used because  the dynamic  energy is less  relevant in  the overall
1061 consumed energy and  lowering the frequency does not  return big energy savings.
1062 Moreover, the average  of the performance degradation is  decreased when using a
1063 higher  ratio   for  static  power  (e.g.   70\%-30\%   scenario  and  80\%-20\%
1064 scenario). Since  the proposed algorithm  optimizes the energy  consumption when
1065 using a  higher ratio for dynamic  power the algorithm  selects bigger frequency
1066 scaling  factors that result  in more  energy saving  but less  performance, for
1067 example see  Figure~\ref{fig:scales_comp}. The  opposite happens when  using a
1068 higher  ratio for  static power,  the algorithm  proportionally  selects smaller
1069 scaling  values which result  in less  energy saving  but also  less performance
1070 degradation.
1071
1072
1073  \begin{table}[!t]
1074   \caption{The results of the 70\%-30\% power scenario}
1075   % title of Table
1076   \centering
1077   \begin{tabular}{|*{6}{r|}}
1078     \hline
1079     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1080     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1081     \hline
1082     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
1083     \hline 
1084     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
1085    \hline
1086     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
1087    \hline
1088     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
1089     \hline
1090     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
1091    \hline
1092     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
1093    \hline
1094     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
1095 \hline 
1096   \end{tabular}
1097   \label{table:res_s1}
1098 \end{table}
1099
1100
1101
1102 \begin{table}[!t]
1103   \caption{The results of the 90\%-10\% power scenario}
1104   % title of Table
1105   \centering
1106   \begin{tabular}{|*{6}{r|}}
1107     \hline
1108     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1109     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1110     \hline
1111     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1112     \hline 
1113     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1114    \hline
1115     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1116    \hline
1117     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1118     \hline
1119     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1120    \hline
1121     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1122    \hline
1123     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1124 \hline 
1125   \end{tabular}
1126   \label{table:res_s2}
1127 \end{table}
1128
1129
1130 \begin{figure}[!t]
1131   \centering
1132   \subfloat[Comparison  between the results on 8 nodes]{%
1133     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1134
1135   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1136     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1137   \label{fig:comp}
1138   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1139 \end{figure}  
1140
1141
1142
1143
1144 \subsection{The comparison of the proposed scaling algorithm }
1145 \label{sec.compare_EDP}
1146 In this section, the scaling  factors selection algorithm, called MaxDist,
1147 is compared to Spiliopoulos et al. algorithm \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, called EDP. 
1148 They developed a green governor that regularly applies an online frequency selecting algorithm to reduce the energy consumed by a multicore architecture without degrading much its performance. The algorithm selects the frequencies that minimize the energy and delay products, $EDP=Energy\cdot Delay$ using the predicted overall energy consumption and execution time delay for each frequency.
1149 To fairly compare both algorithms, the same energy and execution time models, equations (\ref{eq:energy}) and  (\ref{eq:fnew}), were used for both algorithms to predict the energy consumption and the execution times. Also Spiliopoulos et al. algorithm was adapted to  start the search from the 
1150 initial frequencies computed using the equation (\ref{eq:Fint}). The resulting algorithm is an exhaustive search algorithm that minimizes the EDP and has the initial frequencies values as an upper bound.
1151
1152 Both algorithms were applied to the parallel NAS benchmarks to compare their
1153 efficiency. Table~\ref{table:compare_EDP} presents the results of comparing the
1154 execution times and the energy consumption for both versions of the NAS
1155 benchmarks while running the class C of each benchmark over 8 or 9 heterogeneous
1156 nodes. The results show that our algorithm provides better energy savings than
1157 Spiliopoulos et al. algorithm, on average it results in 29.76\% energy saving
1158 while their algorithm returns just 25.75\%. The average of performance
1159 degradation percentage is approximately the same for both algorithms, about 4\%.
1160
1161
1162 For all benchmarks,  our algorithm outperforms Spiliopoulos et  al. algorithm in
1163 terms of  energy and  performance trade-off, see  Figure~\ref{fig:compare_EDP},
1164 because it maximizes the distance  between the energy saving and the performance
1165 degradation values while giving the same weight for both metrics.
1166
1167
1168
1169
1170 \begin{table}[!t]
1171  \caption{Comparing the proposed algorithm}
1172  \centering
1173 \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
1174 \hline
1175 Program & \multicolumn{2}{c|}{Energy saving \%} & \multicolumn{2}{c|}{Perf.  degradation \%} & \multicolumn{2}{c|}{Distance} \\ \cline{2-7} 
1176 name    & EDP             & MaxDist          & EDP            & MaxDist           & EDP          & MaxDist        \\ \hline
1177 CG      & 27.58           & 31.25            & 5.82           & 7.12              & 21.76        & 24.13          \\ \hline
1178 MG      & 29.49           & 33.78            & 3.74           & 6.41              & 25.75        & 27.37          \\ \hline
1179 LU      & 19.55           & 28.33            & 0.0            & 0.01              & 19.55        & 28.22          \\ \hline
1180 EP      & 28.40           & 27.04            & 4.29           & 0.49              & 24.11        & 26.55          \\ \hline
1181 BT      & 27.68           & 32.32            & 6.45           & 7.87              & 21.23        & 24.43          \\ \hline
1182 SP      & 20.52           & 24.73            & 5.21           & 2.78              & 15.31         & 21.95         \\ \hline
1183 FT      & 27.03           & 31.02            & 2.75           & 2.54              & 24.28        & 28.48           \\ \hline
1184
1185 \end{tabular}
1186 \label{table:compare_EDP}
1187 \end{table}
1188
1189
1190
1191
1192
1193 \begin{figure}[!t]
1194   \centering
1195    \includegraphics[scale=0.5]{fig/compare_EDP.pdf}
1196   \caption{Trade-off comparison for NAS benchmarks class C}
1197   \label{fig:compare_EDP}
1198 \end{figure}
1199
1200
1201 \section{Conclusion}
1202 \label{sec.concl} 
1203 In this paper, a new online frequency selecting algorithm has been presented. It
1204 selects the  best possible  vector of frequency  scaling factors that  gives the
1205 maximum  distance  (optimal  trade-off)  between  the predicted  energy  and  the
1206 predicted performance curves for a heterogeneous platform. This algorithm uses a
1207 new  energy  model  for  measuring  and predicting  the  energy  of  distributed
1208 iterative  applications running  over heterogeneous  platforms. To  evaluate the
1209 proposed method, it was applied on the NAS parallel benchmarks and executed over
1210 a heterogeneous  platform simulated by  SimGrid. The results of  the experiments
1211 showed that the algorithm reduces up to 35\% the energy consumption of a message
1212 passing iterative method while limiting  the degradation of the performance. The
1213 algorithm also selects different scaling  factors according to the percentage of
1214 the computing and communication times, and according to the values of the static
1215 and  dynamic  powers  of the  CPUs.   Finally,  the  algorithm was  compared  to
1216 Spiliopoulos et al.  algorithm and  the results showed that it outperforms their
1217 algorithm in terms of energy-time trade-off.
1218
1219 In the near future, this method  will be applied to real heterogeneous platforms
1220 to evaluate its  performance in a real study case. It  would also be interesting
1221 to evaluate its scalability over large scale heterogeneous platforms and measure
1222 the energy  consumption reduction it can  produce.  Afterward, we  would like to
1223 develop a similar method that  is adapted to asynchronous iterative applications
1224 where  each task  does not  wait for  other tasks  to finish  their  works.  The
1225 development of such a method might require a new energy model because the number
1226 of iterations is  not known in advance and depends on  the global convergence of
1227 the iterative system.
1228
1229 \section*{Acknowledgment}
1230
1231 This work has been partially supported by the Labex
1232 ACTION project (contract “ANR-11-LABX-01-01”). As a PhD student, 
1233 Mr. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
1234 Babylon (Iraq) for supporting his work. 
1235
1236
1237 % trigger a \newpage just before the given reference
1238 % number - used to balance the columns on the last page
1239 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1240 % the document is modified later
1241 %\IEEEtriggeratref{15}
1242
1243 \bibliographystyle{IEEEtran}
1244 \bibliography{IEEEabrv,my_reference}
1245 \end{document}
1246    
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